Современные светильники могут иметь множество дополнительных функций. Например, доступ в Интернет по технологии Li-Fi, отличающийся высоким уровнем защиты информации. Или позиционирование, благодаря чему, придя в магазин, вы можете получить подробную информацию о представленных на конкретном стеллаже товарах. Введение дополнительных функций требует использовать принципиально новые подходы к конструированию драйверов — устройств, управляющих режимом работы светодиодов.
Величина светового потока, который дает светодиод, зависит от силы протекающего через него тока. Казалось бы, что проще — использовать данное обстоятельство для регулировки яркости свечения (диммирования) светодиодных светильников. Но именно такой путь таит в себе множество проблем.
На самом деле системы, работающие на данном принципе, именуемом непрерывным диммированием, существовали очень давно, но на практике раньше не применялись. Почему?
Зависимость светового потока от силы тока носит линейный характер. А вот вольтамперная характеристика (ВАХ) является нелинейной, причем нелинейность особенно ярко выражена ближе к нулевому значению прямого тока. Производители светодиодов, как правило, нормируют ВАХ для значения тока, соответствующего более 10 % (а в некоторых случаях и более 50 %) от номинального значения светового потока. Таким образом, при уменьшении тока, протекающего через светодиод, более чем в 10 раз, напряжение падения на светодиоде изменяется непредсказуемым образом, что усложняет построение драйвера. Поэтому более распространена регулировка светового потока у светодиодов иным способом, получившим название «широтно-импульсная модуляция» или ШИМ.
Управление шириной импульса
Глаза человека не замечают явным образом пульсации выше 48 Гц, что давно уже используется в кинематографе. При демонстрации фильма со стандартной частотой 24 кадр/с обтюратор за время показа одного кадра перекрывает объектив дважды, что обеспечивает мерцание света с частотой 48 Гц (в качестве примера взята демонстрация кинофильма с пленки, цифровые киноустановки способны обеспечить еще более высокую частоту обновления картинки). В результате движения на экране кажутся нам слитными.
Тем не менее на подсознательном уровне наши глаза способны обнаруживать пульсации с частотой выше 48 Гц, вплоть до 400 Гц. Проявляется это в виде повышенной утомляемости, когда мы находимся длительное время под источником света, пульсирующим с такой частотой. Вот почему пульсации светильников для помещений, где осуществляется напряженная зрительная работа, нормируют вплоть до 400 Гц.
Принцип ШИМ заключается в том, что светодиоды питаются импульсами стабилизированного тока прямоугольной формы. Для регулировки светового потока применяется изменение длительности каждого импульса. Зависимость светового потока от длительности импульса носит линейный характер, что значительно упрощает построение драйвера. При этом, если частота пульсаций выше 400 Гц, глаза человека будут воспринимать пульсации как непрерывное свечение. В драйверах с ШИМ-регуляторами пульсации тока на выходе обычно имеют частоту в пределах от 1 до 3 кГц.
Передача информации
Светодиоды, в отличие от других широко используемых источников света, могут переключаться с частотой до десятков и даже сотен мегагерц. Естественно, такие пульсации нашему зрению уже точно не будут заметны, но это свойство полупроводниковых приборов можно использовать для передачи информации. Так родилась технология Pure Li-Fi. Она предусматривает передачу данных от светильника к пользователю видимым светом. А в обратном направлении информация идет в инфракрасном (ИК) диапазоне. Это позволяет организовать полноценный беспроводной доступ в Интернет.
Применение Pure Li-Fi обеспечивает повышенный уровень конфиденциальности, т. к. световые, а также ИК-лучи в общем случае не выходят за пределы помещений. Уже сейчас оборудование Pure Li-Fi устанавливается в переговорных комнатах крупнейших мировых компаний, а также в зданиях, где проводятся важные международные саммиты. Помимо этого, Pure Li-Fi, в отличие от Wi-Fi, не создает помех высокочувствительным датчикам, что делает перспективным применение данной технологии в медицинских учреждениях и на предприятиях фармацевтической промышленности.
Более простой вариант — передача информации только в направлении от светильника к пользователю на скорости порядка нескольких десятков бит/с. Тогда приемником информации может быть фронтальная камера смартфона. На этом основана технология позиционирования, созданная компанией Signify (торговая марка Philips).
Пользователь устанавливает на свой смартфон специальное приложение. Светильник в супермаркете пульсациями, не заметными человеку, передает на фронтальную камеру смартфона свой идентификационный номер. Таким образом точно определяется положение клиента в торговом зале (напомним, что внутри здания супермаркета GPS или ГЛОНАСС не работают). После чего смартфон через Wi-Fi загружает подробную информацию о товарах, выложенных на ближайших полках, скидках и т. п.
Signify не требует использовать в такой системе позиционирования только ее светильники. Возможно применение светильников и от других производителей, но они должны быть сертифицированы по программе Yellow Dots, подтверждающей, что устройства действительно способны передавать данные пульсациями светового потока. Главным же моментом в сертификации по Yellow Dots является сертификация применяемого в светильнике драйвера.
В светильниках, передающих информацию, недопустимо применение драйвера с диммированием по технологии ШИМ. Пульсации тока на выходе драйвера могут накладываться на пульсации, обусловленные передачей информации, что приводит к искажению данных. Поэтому пришлось искать иной способ осуществления регулировки яркости освещения.
Диммирование без пульсаций
Драйвер, обладающий одновременно функциями передачи информации и диммирования, должен быть способным плавно менять силу тока на выходе.
Такой драйвер, как правило, имеет два управляющих входа:
- Вход DIM
Изменение напряжения на нем (обычно в пределах от 0 до 10 В для совместимости с используемым до сих пор аналоговым протоколом управления) меняет силу тока на выходе от нуля до максимального значения. При необходимости к этому входу подключают конвертер, преобразующий сигнал одного из цифровых протоколов управления в 1-10V. - Вход PWM
При наличии на этом входе логической единицы сила тока на выходе драйвера равна значению, заданному на входе DIM. В том случае, если на входе PWM логический ноль, то и значение силы тока на выходе, соответственно, равно нулю.
И способен работать в одном из четырех режимов:
- Диммирование и передача данных отсутствуют
На входе DIM устанавливается напряжение 10 В (или иное, соответствующее оптимальному значению силы тока через цепочку светодиодов), на входе PWM — логическая единица. В принципе, один из этих входов можно задействовать для дистанционного включения/выключения светильника. Такой режим работы для инновационного драйвера, в принципе, возможен, но если он является единственным для светильника, то экономически невыгоден. Дешевле поставить самый обычный драйвер со стабилизированным выходным током. - Диммирование осуществляется методом ШИМ, передача данных отсутствует
На входе DIM выставляется напряжение 10 В (или иное, соответствующее оптимальному режиму работы светодиодов), на вход PWM поступают модулированные по широте импульсы от стороннего ШИМ-модулятора. На выходе имеем импульсы тока с частотой от 1 до 3 кГц. Опять-таки такой режим работы возможен, но экономически нецелесообразен — при использовании только ШИМ лучше взять драйвер попроще. - Диммирование производится непрерывным способом, передача данных отсутствует
Световой поток светильника регулируется изменением напряжения на входе DIM. На вход PWM подается логическая единица. Также возможен вариант использования входа PWM для дистанционного включения/выключения светильника. На выходе драйвера ток непрерывен. Применение драйвера в таком режиме экономически целесообразно, поскольку на узлы, обеспечивающие точное непрерывное диммирование, приходится основная часть стоимости, добавление входа PWM практически не увеличивает стоимость конструкции. - Диммирование производится непрерывным способом, осуществляется передача данных
В данном случае через вход PWM осуществляется модуляция светового потока цифровым сигналом, передаваемым через светильник. Вход DIM используется для регулировки интегрального значения светового потока. На выходе ток прерывается в такт с передаваемой информацией. Некоторые современные модели драйверов имеют, наряду с PWM, отдельный цифровой вход для передачи данных, например, шину I2C. Тогда на вход PWM во время передачи данных подается логическая единица.
Следует иметь в виду, что сам по себе драйвер с функциями непрерывного диммирования и передачи информации не обязательно должен быть линейным устройством. Он содержит в себе регулируемый генератор тока, который обычно является импульсным (так называемый buck-конвертер). Пульсации этого генератора сглаживаются, и только после этого ток на выходе модулируется передаваемой информацией. Применение же драйвера, построенного по линейной схеме, не позволяет добиться современного уровня надежности и энергоэффективности.
В литературе пока не появилось единого термина для драйвера, осуществляющего диммирование путем плавной регулировки выходного тока. По мнению автора статьи, термин «линейный драйвер», иногда употребляемый даже производителями такой продукции, некорректен. Дело в том, что он имеет как минимум еще два значения. Во-первых, так называют предельно упрощенные драйверы, в которых режим работы светодиодов устанавливается посредством рассеивания значительной мощности на резисторе или транзисторе. Во-вторых, «линейными» иногда называют драйверы в корпусах вытянутой формы, специально предназначенные для установки в линейные светильники.
Проблема ненормированного изменения напряжения на светодиодах при непрерывном диммировании до уровня менее 10 % может быть решена за счет расширения диапазона выходных напряжений, при которых обеспечивается стабилизация тока. Современная электроника позволяет добиться точности непрерывного диммирования при малых значениях светового потока, сопоставимой с ШИМ, а также непрерывного диммирования в диапазоне от 0 до 100 %.
В последнее время применяются микропроцессорные системы, встроенные в драйвер. Они могут обрабатывать данные не только о напряжении на светодиодах и об их температуре. Если обнаруживается значительное отклонение, то светильник автоматически выключается и подается сигнал системе мониторинга. Тем самым предотвращается выход из строя наиболее дорогостоящих узлов светильника при возникновении внештатной ситуации.
Пример реализации
В качестве примера возьмем одночиповое решение от компании Onsemi NCL31000, включающее в себя почти все элементы светодиодного драйвера, соответствующего спецификации Yellow Dots. Этот драйвер способен модулировать световой поток с частотами до 50 кГц.
Данные о напряжении на светодиодах поступают на вход VLED, а о температуре — на вход TLED. После обработки в аналоговом виде сигналы поступают на аналого-цифровой процессор (ADC). Данные в цифровом виде обрабатываются специализированным процессором (Logic).
Цифро-аналоговый преобразователь (DAC) выдает сигнал регулировки светового потока на основании данных, поступивших через шину I2C (SDA_MOSI). Таким образом, открываются возможности для использования драйвера в системах «умного» света и биодинамическом освещении. Этот сигнал перемножается в мультиплексоре с сигналом DIM, передаваемыми данными (VLC) и PWM. Причем VLS формируется внутри чипа на основе данных, пришедших со входа SDA_MOSI. Сигнал на выходе мультиплексора управляет основной частью драйвера (Led Driver). Светодиоды подключаются к выходу LDGT, сила тока, протекающего через него, может меняться в пределах от 0 до 3 А. Напряжение падения для цепочки светодиодов на выходе может составлять от 4 до 38 В. Таким образом, драйвер хорошо приспособлен для работы со стандартными светодиодными модулями на 36 В. Шина I2C является двунаправленной, через вывод SDA_MOSI передается сигнал мониторинга.
Перспективы
Драйверы с линейным диммированием могут быть использованы не только для светильников с функцией передачи данных. Они найдут свое применение еще и там, где недопустимы пульсации светового потока на любой частоте. Например, для систем машинного зрения, поскольку роботы, как правило, имеют видеокамеры с высоким быстродействием.
