有關LED照明智能化的探討

LED照明系統(tǒng)的智能化程度是一個值得關注的問題。LED照明能夠降低能耗和維護成本，而智能化LED照明設計可以從兩個方面進一步改善系統(tǒng)性能；從每瓦特中獲得更好的性能，降低長期運行成本。電能測量、環(huán)境光檢測和通信是智能LED照明設計的基礎；電能測量提供系統(tǒng)的健康運轉及能耗信息；環(huán)境光檢測可以減少LED的實際照明時間，節(jié)約電能并延長二極管壽命；通信功能則將每個光源連接在一起，以進行維護識別、系統(tǒng)級協(xié)調。本文將探討各部分電路對總體系統(tǒng)的影響。

　　引言

　　想象一下，在炎熱、霧霾天氣下舉行馬拉松比賽，節(jié)省一丁點兒體耗，對比賽結果都至關重要。通常，當賽程不到一半時，就好像已經分出勝負。領跑者似乎不可超越，因為這些選手能夠以較少的體能消耗跑出更遠的距離。領跑者神采奕奕，光彩照人，在酷暑和競賽中始終保持冷靜和良好的狀態(tài)。但是，這些選手真的能夠在后半程比賽中穩(wěn)定步伐、繼續(xù)保持領先嗎？在個個經過周密培訓和激烈競爭的運動員當中，天賦和潛質也只能發(fā)揮至此。要想成功，需要在路上消耗巨大的潛能?，F在的領跑者是否能夠挖掘潛力、運用策略、應對各種自然環(huán)境，最終如愿以償？時間和智慧將說明一切。

　　現在，您可能會問我：“馬拉松跟LED有什么關系？你真的知道自己在說什么嗎？”我想是的。就像強壯的選手領跑馬拉松一樣，LED在高能效照明領域遙遙領先。相對于白熾燈和熒光燈照明，LED的主要技術優(yōu)勢是消耗的能源更低、壽命更長，并且能夠更好地控制照明顏色和方向。

　　據估算，美國2010年度的照明耗能占電能的19%。截至2030年，每年的照明耗能將達到767太瓦時(TWh)。對于我們這場特殊的馬拉松領跑者來說，這是一個多么好的機會！到2030年，LED照明可將耗電降低25%。此外，由于LED的壽命比其它照明方案壽命長5倍，并且不含有害物質，所以，LED可以減少照明形成的固體廢料和種類。甚至有可能不需要更換LED，而只是在改造建筑時才需要更換。不僅如此，利用紅、綠、藍(RGB)LED精調顏色的能力，也為品質和創(chuàng)意提供了新機會。LED最終的用武之地將不僅限于空間照明，將更適合新風格和裝置。

　　LED智能化——贏得比賽的關鍵所在

　　LED將如何發(fā)揮其巨大潛能？毫無疑問，第一道障礙是價格。LED目前的成本遠遠高于現有照明方案。節(jié)能往往不足以說服價格敏感的企業(yè)和消費者購買較貴的產品。隨著時間推移，大規(guī)模生產可能會降低價格，但成本是否能夠降得足夠低，降價速度是否滿足用戶的預期？這些都是不確定因素，有待商榷。當然，這些問題也超出了本文的討論范圍。假如我們隨便找兩家五金店，嘗試尋找相同的LED燈，這或許非常困難。許多零售商不會僅僅為了吸引稀稀拉拉的消費者而備有足夠品種或數量的庫存，為什么？這涉及到價格和庫存周轉率。那么這種情況對我們這些工程師、創(chuàng)新者而言，意味著什么？我們如何使LED照明發(fā)揮潛能？如何贏得這場馬拉松比賽的勝利？

　　如果我們賦予LED“頭腦”，使其智能化，為這些照明燈裝上眼睛、喉嚨、計數等功能。在照明領域設計出有價值的半導體材料，將優(yōu)化能源效率、延長照明壽命，并降低維護成本。這將有助于LED跑完整個賽程，堅持到最后，憑借智慧贏得比賽。

　　LED智能化的關鍵元素

　　環(huán)境光檢測、通信和電能測量是智能化照明系統(tǒng)的關鍵元素。通過環(huán)境光檢測，可以在其它光源已提供充足照明時調暗照明燈；此外，通過檢測環(huán)境光的顏色，能夠調節(jié)高級RGBLED照明系統(tǒng)的顏色。通信功能則允許遠程控制并將小型、大型照明裝置連接成中央網絡。電能測量準確計算消耗的功率，為預測性維護提供系統(tǒng)洞察力。所有這些特性——環(huán)境光檢測、通信、電能測量——將進一步節(jié)省能源，降低運營成本。本文探討為LED照明系統(tǒng)增加環(huán)境光檢測、通信(包括無線和電力線)以及電能測量功能的關鍵設計考慮。提供了參考設計示例。

　　環(huán)境光傳感器(ALS)檢測傳感器附近的光量。這些簡單器件成為LED照明系統(tǒng)的“眼睛”，也是節(jié)約能耗的關鍵。當房間已經有充足的光源時，照明完全沒必要，可將照明燈調暗或完全關閉，降低功耗、延長照明燈壽命。ALS的關鍵特性包括功耗、流明監(jiān)測范圍，以及IR和UV濾光。這些傳感器必須安靜地呆在系統(tǒng)中，不能消耗過大電能，從而破壞節(jié)約系統(tǒng)能耗的初衷。好的ALS耗流達到1μA以下。流明檢測范圍必須達到室外環(huán)境的典型流明范圍。0.1lx至100,000lx一般可滿足大多數應用要求?？紤]到系統(tǒng)可靠性，可能有必要采用略大的范圍。IR和UV濾光可消除實際系統(tǒng)中不可見光的光譜?！　?strong style="word-break: break-all; ">光檢測

　　圖1所示光源中的ALS設計。傳感器必須避開照明燈本身的光線，避免對環(huán)境光測量的影響。該設計中，ALS位于獨立的電路板上，處于照明燈支架的陰影下。這種簡單的設計使ALS能夠在檢測到環(huán)境光超過預設值時關閉照明燈。RGB傳感器甚至能夠為照明應用增加更多“功能”。類似于圖中所示帶有RGBLED和ALS的LED照明系統(tǒng)，能夠動態(tài)調節(jié)其顏色輸出，以滿足特殊的應用需求，例如舞臺情景照明或百貨公司的展示效果。

圖1 ALS安裝在獨立的PCB，處于照明燈支架的陰影下，防止傳感器讀取照明燈本身的光強。

　　下面，