Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2

ghost666 09 Wrz 2019 20:17 1191 11
  • Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    W poprzedniej części artykułu omówiliśmy pewne kluczowe koncepcje nowego systemu oświetlenia LEDowego w mieszkaniach, który miałby być w przyszłości przemysłowym standardem. Aby możliwa była realizacja takiego systemu potrzebny jest system zasilania niskim napięciem, niedrogi mikrokontroler (poniżej 1 dolara) do sterowania pracą diod LED i system komunikacji o wysokiej niezawodności - co najmniej na poziomie 99,999%.

    Systemy komunikacji bezprzewodowej i poprzez kable zasilania są znacznie mniej niezawodne, niż wymagany poziom pięciu dziewiątek. W związku z tym potrzebna jest dodatkowa linia do komunikacji przewodowej. Póki co założyć można, iż jest to interfejs podobny do RS485 - dwie linie różnicowe, zasilane z napięcia 12 V. Propozycję tego rodzaju systemu zaprezentowano na rysunku 1, gdzie kolorem zielonym poprowadzono linie sterujące. Linie niebieskie oznaczają przewody mocy do zasilania systemu np. z napięcia 48 V DC, 230 V AC etc. System dostarczać ma do 12 W na gniazdko.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.1. Uproszczony schemat topologii systemu kontroli zasilania w nowej instalacji z diodami LED.


    Nie pomylmy linii 12 V i drugiej, opisanej jako dużej mocy. Zasilanie 12 VDC jest w systemie zawsze włączone i zasila procesory, które mogą pobierać do 1 mA podczas snu i do 10 mA podczas pracy. Taki zasilacz może obsługiwać 32 węzły rozmieszczone na odległości do 100 m. Z drugiej strony zasilanie wysokiej mocy może się włączać tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. Pozwala to zmniejszyć moc spoczynkową pobieraną przez moduł zasilający, gdy nie jest on obciążony W typowym przypadku 48 VDC oferowałoby do 200 mA na żarówkę, przy czym jedna oprawa obsługuje do czterech cztery żarówek, które rozłożone są na 10 m kabla o średnicy 1 mm, co daje straty energii na poziomie 1,5%. (0,002 Ω/m × 10 m × 2 = 0,75 V; 0,75 V/48 V = 1,5%).

    Na rysunku 1 kontrola nadrzędna jest skonsolidowana w pojedynczej „skrzynce automatyki domowej”, prawdopodobnie zainstalowanej w piwnicy domu lub wraz z rozdzielnią elektryczną. Z tego puntu wychodzą trzy oddzielne sieci. Jest to instalacja podobna do skrzynki bezpiecznikowej - zawiera ona od 10 do 20 bezpieczników na cały dom, a każdy bezpiecznik obsługuje inny obwód. Dom może mieć wiele takich obwodów niskiego napięcia, każdy z 5..15 urządzeniami podłączonymi z pomocą czteroprzewodowego interfejsu (dwa kable danych różnicowych i zasilanie 12 V DC). Na rysunku 1 zaprezentowano przewody sterujące (zielone) i przewody dużej mocy (niebieskie ).

    Jeśli na przykład żarówka ma prąd znamionowy 200 mA, należy dostarczyć do niej prąd 200 mA w sposób ciągły, aby uzyskać 100% jej jasności. Aby przyciemnić tę żarówkę za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) do 30% mocy, przez 30 μSec podaje się prąd 200 mA, a przez 70 μSec żarówka jest wyłączona. Urządzenie generuje w takiej sytuacji przebieg PWM o okresie 100 μSec, co odpowiada częstotliwości 10 kHz.

    Każde urządzenie na rysunku 1 zawiera kosztujący około jednego dolara mikroprocesor. Może to być na przykład układ XMC1302. Dodatkowo moduł zawiera sterownik LED – tranzystor MOSFET (patrz rysunek 2). MOSFET może się włączać i wyłączać z częstotliwością powyżej 3 kHz, aby stworzyć efekt przyciemnienia i może regulować prąd przez całego ciągu diod LED.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.2. Proponowany uproszczony schemat magistrali komunikacyjnej i zasilania, a także urządzenia złożonego z sterownika i żarówki z wbudowaną pamięcią EEPROM.


    Standard podstawowy obsługuje dowolny sposób dostarczania mocy

    Opisywana propozycja standardu IoT nie definiuje przewodów zasilających. Moc dostarczana może być z wykorzystaniem linii 24 VDC, 48 VDC, 110 VAC 220 VAC. To elastyczne rozwiązanie obsługuje także wymienne zasilanie prądem przemiennym lub stałym, które zmienia się w czasie pracy urządzenia i zapewnia napięcie od 20 VDC do 56 VDC oraz od 100 VAC do 240 VAC lub też 0 V (zasilanie wyłączone). Ta ostatnia opcja (tzw flex power) zapewnia uniwersalną metodę zasilania urządzeń bezpośrednio z sieci 110/220 V napięcia zmiennego, 48 V DC w systemach fotowoltaicznych bez konieczności instalowania przetwornic. Wadą zasilania elastycznego jest dodatkowy koszt i niewielka dodatkowa strata mocy na każdym urządzeniu. Zaletą jest to, że oszczędzamy energię i koszty gdzie indziej.

    „Aby zachęcić do przyjęcia naszego standardu, nie podejmujemy decyzji dotyczących dostarczania mocy. Na przykład producent X sprzedaje gniazdo LED, które łączy przewody danych i linie 220 VAC. Producent Y robi coś podobnego, stosując dwa przewody o małej mocy 12 VDC i dwa elastyczne przewody zasilające, które obsługują 48 V DC (system PV lub bateria) lub 220 V AC (sieć) i zmieniają się w czasie działania. Oba produkty są obsługiwane przez ten system” opisuje twórca standardu.

    Dlaczego do zasilania procesora w urządzeniu stosuje się 12 V, a nie nie 48 V? Przetwornica DC/DC z 48 V na 3,3 V zabiera dużo miejsca na płytce drukowanej i charakteryzuje się niską sprawnością przy niewielkim poborze mocy marnowana jest moc spoczynkową podczas uśpienia procesora. Stabilizator liniowy z 12 V do 3,3 V jest niewielki, niedrogi i marnuje niewiele energii podczas uśpienia procesora.

    Grupy branżowe, takie jak IEEE, mogą z łatwością dodawać dodatkowe standardy według potrzeb, aby zapewnić większą kontrolę nad opisywanym standardem. Na przykład komitet ten może ustanowić dodatkowy standard z sześciożyłowym kablem, który obsługuje różnicowe dane, linie 12 V niskiej mocy, oraz elastyczne linie zasilania 48 VDC lub 110/220 VAC. Dodatkowe standardy wynikałyby z dyskusji między liderami branży, w zależności od potrzeb ich poszczególnych rynków. Zacząć trzeba od podstawowego standardu i pozwolić sektorowi rozbudować go zgodnie z potrzebami rynku.

    Elastyczne zasilanie, które zmienia się w czasie działania układu, może wydawać się trudne do realizacji, ale wiele przetwornic, które akceptują 110/220 V prądu przemiennego na wejściu, może również pracować przy zasilaniu 48 V prądu stałego. Wiele z nich wystarczy tylko nieznacznie zmodyfikować. Elastyczne zasilanie umożliwia zasilanie bezpośrednio z sieci niektórych urządzeń, innych bezpośrednio z baterii 48 VDC lub systemów fotowoltaicznych. Redukcja napięcia zasilania i eliminacja konieczności instalowania falownika zmniejsza koszty systemu i zużycie energii. Wymaga to jednakże zaawansowanej koordynacji między urządzeniami odbiorczymi, bateriami i kolektorami słonecznymi, co wykracza poza zakres propozycji tego standardu. Elastyczne zasilanie dobrze łączą się z zasilaniem 12 VDC o niskiej mocy - zapewnia to nieprzerwane działanie procesora w systemie flex power. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność prowadzenia sześciu przewodów zamiast czterech.

    Patrząc wstecz na rysunek 1, oprócz żarówek LED sieć jest podłączana również do przełączników ściennych i zmotoryzowanych osłon termicznych okien. Łatwo jest policzyć, że jeśli chodzi o oszczędności, to najwięcej ich przynoszą osłony termiczne okien. Jest to blok grubej pianki, zakrywający okna, gdy pokój nie jest używany. Traci się ogromne ilości energii przez okna, a dodanie możliwości izolacji okna jest łatwe, ponieważ elektronika napędzająca silniki jest podobna do elektroniki napędzającej diody LED. Łatwo rozszerzyć można więc sieć oświetleniową o dodatkowy kabel, który sterować będzie termicznym ekranem dla okna.

    EEPROM pokazany wewnątrz żarówki na rysunku 2 zawiera w sobie dane, które charakteryzują żarówkę - producent, numer modelu, numer seryjny, pożądany prąd, maksymalny prąd, fizyczna szerokość wiązki itp. Interfejs między tą pamięcią a gniazdem zasługuje na dalsze rozważenie. Przykładowe rozwiązanie, to system w którym mikrokontroler przykłada 3,3 V do żarówki, a ona wykrywa napięcie np. między 2,0 V a 4,0 V, a następnie przesyła bity z EEPROM, modulując obciążenie na poziomie 0,1 mA dla logicznego zera i 1 mA dla logicznej jedynki.

    Rysunek 3 pokazuje topologię prowadzenia instalacji zasilania niskiej mocy 12 V oraz różnicowych linii danych. System łączony jest w drzewo. Topologia ta różni się od wielu tradycyjnych sieci, które wykorzystują linie o kontrolowanej impedancji i łączą urządzenia wzdłuż jednego przewodu z terminatorem na każdym końcu. Sieciami takim jak np. Ethernet czy CANbus. Elektrycy łączący urządzenia w budynku wolą łączyć systemy w topologii drzewa, gdyż jest to wygodniejsze w tym zastosowaniu. Okablowanie np. sieciowe 230 V dla mieszkania wygląda podobnie, jak na rysunku 3, z tą tylko różnicą, że czerwona kropka to skrzynką bezpiecznikowa, a zielone kropki to odbiorniki energii w domu.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.3. Zasilanie i sygnały danych łączą się w topologii drzewa, podobnie jak przewody w zwykłej sieci elektrycznej.


    Węzły, takie jak pokazano na rysunku 4 to punkty świetlne, elementy interfejsu użytkownika – włączniki, ściemniacze, a także sensory – oświetlenia, temperatury etc. Węzłami są też sterowniki silników termicznych osłon okien.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.4. Węzły w domowej sieci okablowania wysyłają i odbierają dane, gdy są zasilane z magistrali 12 V.


    Aby osiągnąć niezawodność systemu na poziomie 99,999%, a jednocześnie rozprowadzać zasilanie dla urządzeń potrzebny jest koniecznie kabel. Jest on w stanie także sterować usypianiem procesora. W proponowanym systemie procesor jest uśpiony, dopóki linia danych nie zmienia się. System zasilany jest z napięcia stałego 12 V ponieważ łatwo jest zbudować zasilacz dla mikroprocesora z liniowym stabilizatorem napięcia w obudowie SOT23 – element taki nie kosztuje więcej niż 0,1 dolara. Układ taki uzupełniony jest równie tanim mikrokontrolerem – na przykład XMC1302 kosztuje ok 0,70 dolara (patrz rysunek 5). Zawiera on cyfrowe linie GPIO, czujnik temperatury, sterowanie PWM, sterowanie ściemniaczem LED i kilka kanałów analogowych (ADC) - wszystko w jednej obudowie TSSOP16. Można w ten sposób łatwo dodać pomiar temperatury, pomiar poziomu światła żarówki, pomiar poziomu światła w pomieszczeniu, kontrolę włączania / wyłączania jak i sterowanie ściemniaczem do gniazda lampy bez ponoszenia znacznych kosztów.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.5. Niedrogi mikroprocesor kontroluje jasność diody LED poprzez sterowanie diody za pomocą sygnału PWM.


    Proponowany standard komunikacji w sieci elektrycznej – RS486

    W proponowanym systemie różnicowe przewody danych łączą równolegle wiele urządzeń. Komunikują się one dwukierunkowo; urządzenia albo komunikują się ze sobą nawzajem, albo transmitują dane do wszystkich. Jest to podobne rozwiązanie do ugruntowanego już standardu RS485, ale proponowany system ma pewne różnice. Nazwijmy go dla uproszczenia RS486. RS485 zwykle steruje dobrze kontrolowanymi impedancjami (tj. pojedynczym kablem, który jest zaterminowany na każdym końcu). W takiej sieci sygnały mają czasy narastania/opadania zbocza na poziomie około 15 ns sterując dziesiątkami miliamper. Z drugiej strony proponowany RS486 ma ograniczoną szerokość pasma z czasem narastania na poziomie 15 μSec, niezależnie od pojemności kabla (1000 razy wolniej). Oznacza to, że jest wolny (10 kb/s), ale nie generuje oscylacji w przewodach nieznanej impedancji (ma obsługiwać od 0 do około 300 metrów okablowania o drzewiastej strukturze bez terminatorów). Dodatkowo interfejs taki zużywa mniej energii i jest tańszy w instalacji – potrzebne są tańsze transceivery z uwagi na mniejszą moc prądu płynącego przez interfejs. Łatwiej jest też zabezpieczyć taki system przed zwarciem czy przepięciami.

    Każdy węzeł sieci to mała płytka drukowana (np. 25 × 50 mm) z elektroniką, kosztującą od 2 do 3 dolarów, która łączy proponowaną magistralę z gniazdami dla żarówek, przełącznikami, silnikami i czujnikami. Ponieważ jest to kolokacja interfejsu z systemem o wyższym napięciem, powinno się zabezpieczyć go się przed przypadkowym zwarciem do zasilania sieciowego, jak pokazano na rysunku 6.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
    Rys.6. Każdy węzeł sieci wykorzystuje prosty i tani mikrokontroler.


    W ostatniej, trzeciej, części artykułu opisane zostaną kable, złącza, przełączniki, a także możliwości integracji ogniw fotowoltaicznych w systemie zasilania oświetlenia z pomocą diod LED.

    Źródło: https://www.edn.com/design/led/4462201/Proposed-LED-wired-IoT-standard-can-reduce-energy-use--part-2-

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9357 postów o ocenie 6937, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    Jogesh
    Poziom 28  
    Najbardziej mi się podoba na schemacie pamięć EEPROM. Ale tylu bzdur na raz to się nie daje czytać. " Przetwornica DC/DC z 48 V na 3,3 V zabiera dużo miejsca na płytce drukowanej i charakteryzuje się niską sprawnością" Może naprawdę zająć mało miejsca. Procesor z jednego dolara? Nie znaleźli tańszych? Nie podano dlaczego komunikacja ma mieć minimum niezawodność 99,999%? Jak to oszacowali?

    Jak ktoś chce stworzyć taki standard, to może prawie wszystko co potrzeba zintegrować w jednym scalaku. Nadajnik RS, stabilizator i procesor. Do tego sterownik LED. Będzie naprawdę tanio.

    Obecnie artykuł wygląda jak wypracowanie licealisty.
  • #3
    Ibuprom
    Poziom 25  
    A później pojawią się chińskie klony bez zabezpieczeń na szynach komunikacyjnych, statystyczny "Kowalski" coś zechce "ulepszyć", pomyli kabelki, puści 220v na szynę danych i dom bez światła zostaje. Niezawodność i oszczędność nie pójdą w parze. Segmentacja to już koszty i dodatkowe potencjalne miejsca awarii, tym bardziej w topologii drzewa gdzie "huby" będą porozrzucane po domu i zapewne zamurowane w puszkach w ścianie bo brzydko będzie wyglądała skrzynka na ścianie w pokoju nowoczesnego domu.
    Kibicuję standaryzacji, ale jakoś tego nie widzę w tej formie. Jakaś forma bezprzewodowej komunikacji bałaby odporność na przepięcia, nadajniki systemu można dość gęsto po domu porozmieszczać tak aby zapewnić nadmiarowość i da się to zaplanować na etapie projektu dając pełną elastyczność odnośnie ilości odbiorników w przyszłości. Oczywiście, podatność na zakłócenia wyższa, ale mówimy o funkcjach drugorzędnych a nie bezpieczeństwa gdzie kabel jest obowiązkowy jako forma komunikacji - ale tam też statystyczny kowalski nie będzie grzebał.
    Pozostaje kwestia wydzielonego, w miarę czystego pasma do takich zastosowań.....
  • #4
    koczis_ws
    Poziom 26  
    To o czym tu piszą to raczej nie jest sttandard oświetlenia LED tylko jakiś fragment tzw. inteligentnego domu.
    Po co komu EEPROM w "żarówce" :)
  • #5
    ditomek
    Poziom 21  
    Zrobiłbym to inaczej.
    Skoro problemem jest zasilacz w żarówce to instalacja oświetleniowa powinna być rozdzielona od gniazdkowej.
    Zasilanie mniejszym napięciem (np 24V) powinno rozwiązać cześć problemów.
    Tylko co z zasilaczem który bez obciążenia pobierałby prąd i jego sprawność byłaby niewystarczająca.
    Może źródłem zasilania powinien być jakiś akumulator a systemy pomocnicze doładowywałyby go w razie potrzeby.

    Na początku ten artykuł wydawał się mieć sens. Teraz to niepotrzebne komplikowanie rzeczy prostych z natury.
  • #6
    krisRaba
    Poziom 28  
    koczis_ws napisał:
    Po co komu EEPROM w "żarówce"

    Żeby zapisać tam parametry, bo skoro LEDy i zasilacz to osobne urządzenia, to w ten sposób możesz zapewnić "kompatybilność". Wkładasz nowego LEDa, zasilacz sobie czyta np. 470mA, proszę bardzo, smacznego ;)
    Tak samo jak w tonerach i kartridżach do drukarek możesz mieć zapisany np jaki to kolor. Wiadomo, że niestety jest to wykorzystywane również w innych celach, np. liczenia czasu końca życia.
    Ale tak jak już kolega zauważył - bardzo ciekawe podłączenie tego EEPROMu na schemacie ;)

    Coś na obrazkach zaczyna się pojawiać często XMC, dedykowany do instalacji BMS, czyli pachnie artykułem sponsorowanym ;)
  • #7
    qwert2000
    Poziom 13  
    Karygodne marnotrawstwo energii. Mieszkanie powinno być tylko oświetlone tam gdzie się patrzy, ale załatwi to norma dla LED Euro7. Czekam jeszcze na 100W czajniki z pokryciem termicznym w technologii NASA. Z odkurzaczami wałek się udał.
  • #8
    ukixx
    Poziom 20  
    Jogesh napisał:
    Obecnie artykuł wygląda jak wypracowanie licealisty.

    Zgadzam się w 100% chociaż jeszcze znaczna część informatyków nie mających pojęcia o instalacjach ani o przepływie prądu robi takie bzdury na zaliczenie studiów.
    Kiedyś była nowość firmy EIB (KNX) z projektem instalacji inteligentnej ale jakoś nie widać chętnych żeby to robić. Głównym problemem jest dokładanie magistrali danych do każdego nadajnika i odbiornika dlatego już lepszym rozwiązaniem było by sterowanie przez IR lub BT/WiFi.

    Kolejnym idiotycznym pomysłem jest budowanie oddzielnego zasilacza dla każdego punktu świetlnego z epromem skoro można taki zasilacz zrobić na tej samej płytce co diody. Chyba że chodzi o oszczędność miejsca.

    Generalnie projekt bez sensu, drogi w wykonaniu i skomplikowany. Nie posiada żadnych zalet poza funkcją ściemniacza.

    Kilka lat temu sam wpadłem na pomysł wykonania inteligentnego oświetlenia. Zasilanie 12V, linia danych 5V i wszystko połączone jednym 3-żyłowym kablem. Jeden moduł posiada u mnie cztery wyjścia, chociaż fizycznie można go rozbudować do 8 a nawet 14 wyjść. Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2 Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 2
  • #9
    krisRaba
    Poziom 28  
    ukixx napisał:
    Kolejnym idiotycznym pomysłem jest budowanie oddzielnego zasilacza dla każdego punktu świetlnego z epromem skoro można taki zasilacz zrobić na tej samej płytce co diody.

    To akurat jest jeden z sensowniejszych punktów tych bzdur ;-) Chodzi o to, że płytka LED może być tańsza, a zasilacz lepszy. Dzięki temu masz mniej elektrośmieci, bo śmierć LED nie powoduje wyrzucania dobrego zasilacza itp.
  • #10
    koczis_ws
    Poziom 26  
    Takie rzeczy to może i dobre w nowo budowanych lub przy kapitalnym remoncie budynkach. A ce ze starymi. Niewielu ma raczej ochotę pruć ściany i zakładać nowe instalacje. Raczej trzeba pomyśleć o nowym standarcie, ale kompatybilnym z istniejącymi instalacjami.
    Poza tym gdzie tu oszczędność energii skoro system musi cały czas pracować i pobierać energię. Zwykłe oświetlenie pobiera prąd tylko wtedy gdy świeci.
  • #11
    krisRaba
    Poziom 28  
    Akurat wspomniany aspekt można zastosować w normalnej instalacji, np. zasilacz dając w żyrandolu i do niego wymienne LEDy bez dodatkowej elektroniki (poza info o prądzie). Klasycznie wyłączasz światło, to ubijasz zasilacz i już.
    Podobnie można zrobić dla sekcji oświetlenia w podwieszanych sufitach itp.
    Ale rozciąganie tego na cały dom i ciągnięcie kilowatów przez niskie VDC to chory pomysł. Chyba że ktoś ma pod ręką szynoprzewody z demobilu.. ;-) :lol:
  • #12
    Zbigniew 400
    Poziom 37  
    Nie zastanawialiście się nad promowaniem rozproszonej sieci zasilania i korzyściami z tego wynikajacymi ?
    Black out w energetyce.

    A tu propozycja nad centralizacją.
    Mamy imprezę, sobota po 17.
    Pali mi się żarówka w pokoju, wymieniam.
    W tym systemie siada sterowanie/ statystyka i prawo marfiego/.
    Super impreza po ciemku.

    Mamy sklep.
    Siada centralne sterowanie.
    Zamykamy ?