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

Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3

ghost666 15 Wrz 2019 15:01 1131 10
  • W poprzednich dwóch częściach (Link 1, Link 2) przekonaliśmy się w jaki sposób możliwe jest wyeliminowanie przetwornic AC/DC z żarówek LED, aby jeszcze zwiększyć sprawność systemu. Zaproponowano też sieć komunikacyjną dla żarówek i innych sprzętów energetycznych w domu. W poniższej części - trzeciej, przeanalizowane zostaną sposoby na integrację systemu z układami fotowoltaicznymi oraz mechaniczne wymagania dotyczące złącz i konstrukcja samych żarówek.

    Jeśli chcemy oszczędzać na rachunkach za energię elektryczną, należy rozważyć instalację systemu fotowoltaicznego (PV) we własnym domu. Nowoczesne systemy PV posiadają rozbudowane algorytmy sterowania i mogą być podłączone do domowej sieci Internetu Rzeczy (IoT). Wtedy układ PV jest podłączony do sieci lokalnej i jest modelowany jako kolejne urządzenie IoT, które dostarcza energię. Tego rodzaju panel PV jest laminowany wieloma warstwami, także płytkami drukowanymi (PCB) z elektroniką monitorującą system. Rysunek 1 pokazuje przekrój tego rodzaju laminatu.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.1. Ogniwo fotowoltaiczne zawierające płytkę drukowaną łączącą się z siecią lokalną.


    W widoku z góry (rysunek 2), widzimy płytki drukowane (przedstawione w kolorze czerwonym) i metalowe przewody (kolorze szarym i jasnoniebieskim). Materiałem bazowym jest blacha aluminiowa. Panel taki można zamontować bezpośrednio na zewnętrznej powierzchni budynku, takiej jak dach lub ściana.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.2. Płytki drukowane w strukturze ogniwa PV.


    Na rysunku 3pokazano uproszczony schemat w jaki sposób płytki drukowane zamontowane są na ogniwie, aby generować różne napięcia. Każde ogniwo zachowuje się jak bateria, dzięki odpowiedniemu ich połączeniu na PCB możliwe jest łączenie ich szeregowo i równoległe poprzez klucze MOSFET. Dzięki temu uzyskujemy system IoT z programowalnym źródłem napięcia DC z ogniw fotowoltaicznych.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.3. Płytka drukowana pozwalająca na osiąganie różnych napięć z ogniwa słonecznego.


    Połączenia elektryczne

    Połączenia przewodów w sieci energetycznej wykonuje się zwykle przy użyciu połączeń skręcanych - łeb śruby dociska kabel sporą siłą (rysunek 4. Tworzy to niezawodne połączenia o trwałości nawet 100 lat. Alternatywne sprężynujące złącza ? sprężyna wepchnięta do gniazda i utrzymywana w miejscu za pomocą siły sprężystości materiału - są mniej niezawodne, szczególnie jeśli złącze musi przenosić jakieś obciążenia mechaniczne.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.4. Wyjątkowo niezawodne połączenia śrubowe.


    Wymagane jest złącze, które z jednej strony zapewnia siłę porównywalną do śruby, ale z wieloma stykami. Musi być ponadto szybkie w instalacji. Poniżej opisano jeden taki pomysł. Ilustracja po prawej stronie pokazuje śrubę dociskającą klin (czerwony), która z kolei wywiera nacisk na blok przesuwny (rysunek 5). Ilustracja po lewej pokazuje z kolei, jak śruba może przyłożyć ogromną siłę (w stosunku do siły sprężyny) do wielu ostrzy w gnieździe z izolacją (niebieską) pomiędzy każdym sygnałem. Załamanie pokazane na ostrzach utrudnia odłączenie wtyczki po dokręceniu śruby. Złącze to można na przykład umieścić w gniazdach oświetleniowych i obudowach włączników/wyłączników/ściemniaczy do instalacji przez użytkownika końcowego.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.5. Blok zacisków ze śrubą zapewniający niezawodność połączeń zasilania i danych.


    Przewód płaski (wstążkowy) z czterema lub sześcioma przewodnikami może dobrze pasować do narzędzi do zaciskania, które łączą powyższe styki-ostrza z przewodem za jednym naciśnięciem (rysunek 6).

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.6. Narzędzie do zaciskania.


    Elektryk jutra mógłby poruszać się szybciej - za pomocą zmotoryzowanej maszyny wielkości wiertarki ręcznej, która frezuje plastik złącza i elektrycznie obraca śruby zaciskające przewody, jak pokazano na rysunku 7. Taka maszyna chwyta przewód, identyfikuje jego rozmiar i frezuje plastik, aby odsłonić druty. Zacisk z klapką na każdym urządzeniu zabezpiecza cały przewód, a poszczególne zaciski śrubowe stykają się z każdym drutem. Urządzenie to obraca również śruby i przykłada wymagany moment obrotowy. Następnie może dopiąć przewód do każdego urządzenia bez odcinania go, co oszczędza czas i zwiększa niezawodność systemu. Jeśli praca elektryka kosztuje 75 dolarów za godzinę (typowa stawka w USA), wówczas wyrafinowana maszyna, która oszczędza jego czas, z łatwością może się zwrócić.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.7. Nowe narzędzia dla elektryków mogące pozwolić zaoszczędzić czas i zapewnić bardziej spójne połączenia.


    Proponowane żarówki LED obsługują również samodzielne systemy, które nie są podłączone do sieci, jak pokazano na rysunku 8.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.8. Lampy będące w użyciu nie podłączone do sieci.


    Dyfuzory i akcesoria zaciemniające

    Tradycyjne żarówki zostały pierwotnie zaprojektowane tak, aby odprowadzić znaczne ciepło z żarników. W proponowanej, zminiaturyzowanej formie opartej tylko na diodach LED można umieścić punkty świetlne równo z powierzchnią, z niewielką odległością dla zapewnienia chłodzenia. Rysunek 9 pokazuje sufit z płyt kartonowo-gipsowych (czarny), drewnianą ramę 2? × 4? (brązowy), metalową skrzynkę elektryczną (niebieski z kropkami) i oprawę oświetleniową (pomarańczowy z kropkami).

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.9. Żarówki LED bez wewnętrznej przetwornicy montowane równo z sufitem.


    Na rysunku 10 pokazano płaską powierzchnię między żarówką a gniazdem (jasnozielony). Jak można ją wykorzystać? Istnieje wiele możliwości. Można wykorzystać tą przestrzeń do instalacji systemów, które będą przewodzić ciepło żarówki do gniazda lub dodatkowych systemów, do kierowania oświetlenia, jakie pokazano na rysunku 9.

    Jeśli jednak dodamy do gniazda dodatkowe elementy potrzebna jest większa siła aby dokręcić żarówkę, co jednocześnie zwiększą również koszty oprawy. Jest to jednak kwestia, którą inżynierowie mechanicy, odpowiedzialni za projekt systemu powinni rozważyć.

    W wielu budynkach żarówki umieszcza się w zagłębieniach w suficie. To sprawia, że jest ona mniej widoczna i mniej przeszkadza użytkownikowi. Na rysunku 10 pokazano przykładowe akcesoria, które mają podobny efekt. Alternatywnie można również dodać większą kopułę osłaniającą żarówkę, aby lepiej rozprowadzać światło.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.10. Żarówki sufitowe z licznymi akcesoriami.


    Ponieważ opisywany tutaj jest zupełnie nowy standard elektryczny, istnieje ogromny luksus dodania znormalizowanego mechanicznie obszaru do chwytania dyfuzora i innych akcesoriów oprawy. Niebieskie linie pokazane na kloszu z rysunku 10 pasują do regionu kontrolowanego przez mechaniczny standard LED i wymagany przez wszystkie żarówki, i wszystkie gniazda. Rysunek 11 pokazuje, jak działałoby przykładowe rozwiązanie.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.11. Przykładowe akcesorium instalowane bezpośrednio na sieci oświetleniowej.


    Ciepło i krajowy kodeks elektryczny

    Przenoszenie ciepła i zgodność z przepisami budowlanymi zasługuje na więcej uwagi. Jedną z opcji jest poleganie na gnieździe, które pomaga rozproszyć ciepło, ponieważ jest ono przymocowane do czegoś większego niż żarówka i ma większą powierzchnię niż opisywana żarówka. Ciepło można łatwo przenosić z diod LED do metalowego gniazda ze względu na ich bliskość. Aby uniknąć pożaru można umieścić przełącznik MOSFET wewnątrz każdej żarówki, która otwiera się, jeśli jest zbyt gorąca (np. przy temperaturze diod powyżej 105°C).

    Aby obniżyć koszty instalacji, należy podłączyć przewód z centralnej lokalizacji w pomieszczeniu (np. czujnik obecności zainstalowany w suficie) do każdej żarówki, a także np. każdego okna, bez przewodu.

    Zasilacze osadzone tradycyjnie, w podstawie żarówki LED są narażone na ekstremalne ciepło; elementy takie jak kondensatory elektrolityczne nie wytrzymują długo w tych warunkach. Typowy okres użytkowania kondensatora elektrolitycznego wynosi 2000 godzin w temperaturze 105°C. Urządzenia LED SMD rozpraszają około 85% ciepła wewnątrz żarówki, co oznacza, że ??stają się tam bardzo gorące (np. 8,5 W z żarówką o mocy 10 W). Przeniesienie części elektrycznych dalej od urządzeń LED SMD zmniejsza temperaturę ich pracy i tym samym wydłuża ich żywotność.

    Jedną strategią rozpraszania ciepła jest zamocowanie przewodzącego ciepło urządzenia między żarówką a gniazdem, jak pokazano poniżej na niebiesko na rysunku 12. Może to być odbłyśnik, specjalnie ukształtowany radiator, itp. Dodatkowy element między żarówką a gniazdem zapewnia lepszy kontakt termiczny podczas dociskania elementu do centralnego przewodnika elektrycznego w gnieździe. Alternatywnie można tam umieścić sprężynę na środkowym przewodzie elektrycznym i uniknąć konieczności dodawania uszczelki między żarówką a gniazdem.

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
    Rys.12. Metal między żarówką a sufitem działający jak radiator.


    Aby wszystko to zadziałało wymagane jest ujednolicenie systemu solarnego IoT typu plug-and-play, który obejmuje standardy mechaniczne, standardy połączeń elektrycznych i protokoły komunikacyjne. Manhattan 2 jest przykładem organizacji, która właśnie nad tym pracuje i jest w trakcie projektowania instalacji testowej o powierzchni niecałych 200 metrów kwadratowych, w której możemy przetestować słoneczny Internet Rzeczy bezpośrednio na powierzchniach budynków mieszkalnych. Lokalizacja tej inwestycji nie została jeszcze ustalona.

    Aby uzyskać więcej informacji, zobacz plan badawczo-rozwojowy Wired-IoT na Manhattan 2 i plan badawczo-rozwojowy Solar Direct to Surfaces.

    Źródło: https://www.edn.com/design/led/4462202/Proposed-LED-wired-IoT-standard-can-reduce-energy-use--part-3-

    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 9427 postów o ocenie 7105, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Fabryka prądu
  • #2
    Jogesh
    Poziom 28  
    Trzecia część głupiego pomysłu. Jedynie podoba mi się gniazdko do łączenia kabli danych. Tylko autor nie pomyślał, że jak nie będzie kompletu tychże kabli, to pozostałe się nie docisną. Fajny pomysł z frezowaniem plastiku na przewodach :).
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Jogesh napisał:
    Trzecia część głupiego pomysłu. Jedynie podoba mi się gniazdko do łączenia kabli danych. Tylko autor nie pomyślał, że jak nie będzie kompletu tychże kabli, to pozostałe się nie docisną. Fajny pomysł z frezowaniem plastiku na przewodach :).


    No właśnie chyba założenie jest takie, że zawsze jest tyle samo kabli w danym złączu, po to standaryzacja.

    A co do frezowania izolacji - mi też pomysł się podoba, to rozwinięcie czegoś takiego:

    Nowy, proponowany standard oświetlenia LED - część 3
  • #4
    Tumiwisizm
    Poziom 24  
    Cały ten artykuł poprawiłem wczoraj. Podpisy pod rysunkami też. Więc gdzie moje 2 punkty?
  • Fabryka prądu
  • #5
    prosiak_wej
    Poziom 28  
    Kilka randomowych narzędzi, tajkowa (Tyco) zaciskarka do jakichś minifitów, kilka rysunków... Andrzej, to jeb... nie chwyci.
  • #6
    krisRaba
    Poziom 28  
    Fajne te "klasyczne" gwinty E27 w pokazywanych LEDach, jakby zupełnie zapomnieli, że chcieli tam dać jeszcze EEPROM do środka :lol:
    No chyba że faktycznie planują go podłączyć jak na schemacie w poprzedniej części tej cudownej historii ;) Może to jakiś EEPROM obsługujący komunikację typu PLC?
  • #7
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    krisRaba napisał:
    Fajne te "klasyczne" gwinty E27 w pokazywanych LEDach, jakby zupełnie zapomnieli, że chcieli tam dać jeszcze EEPROM do środka :lol:
    No chyba że faktycznie planują go podłączyć jak na schemacie w poprzedniej części tej cudownej historii ;) Może to jakiś EEPROM obsługujący komunikację typu PLC?


    W jednej z poprzednich części dokładnie o tym było, jak ma gadać ten EEPROM właśnie.
  • #8
    krisRaba
    Poziom 28  
    ghost666 napisał:
    W jednej z poprzednich części dokładnie o tym było, jak ma gadać ten EEPROM właśnie.

    Faktycznie, widocznie przespałem
    Cytat:
    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.

    ale to znaczy, że musi to być coś mądrzejszego niż sam EEPROM, bo wykryć napięcie, komunikować się w nietypowy sposób, nie zginąć od napięcia do zasilania LED poza momentem komunikacji...
    Trochę odbiega to od standardowego gołego EEPROMu wrzuconego w kartridż drukarki ;)
  • #10
    BANANvanDYK
    Poziom 39  
    Cały ten pomysł wygląda jakby był dziełem nastolatka, ucznia szkoły technicznej. Z resztą nie ma co porównywać standardów USA do europejskich.
    Jakieś dziwne rozwiązanie na złącza skręcane do przewodów? Od kilku lat dostępne jest coś takiego jak "instalacja elektryczna systemu kabla płaskiego" która przeznaczona jest wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność częstej adaptacji pomieszczeń i zmiany instalacji elektrycznej, np. pomieszczeń biurowych. Złącza zaciskane na przewód, przewód płaski z powłoką samowulkanizującą po rozłączeniu. Widziałem że było to dostępne w Polsce, tylko ogólnie koszt bardzo wysoki. Podobnie złącza do takich "inteligentnych" instalacji są dość drogie, ale kiedyś spotkałem się z nimi przy jakimś kotle na "eko"węgiel.
  • #11
    krisRaba
    Poziom 28  
    Jogesh napisał:
    Steruje eepromem natężeniem? Dziwny sposób.

    Chodzi raczej o komunikację podobną do TTY, tylko tam było bodajże 20mA i 4mA zależnie od wartości nadawanego bitu.
    Ten pomysł akurat mi się podoba, bo odczyt potrzebny jest tylko na starcie, czyli w ten sposób można wysłać pakiet danych, a potem procek się odłącza od zasilania i zasilacz podaje wyższe napięcie z ograniczeniem prądowym.
    Tylko właśnie tych "robaczków" musiałoby tam być trochę więcej, nie tylko kostka EEPROMu. Choć znając życie gdyby się przyjęło, to ktoś machnąłby takiego scalaka, który ma w sobie wszystko co potrzeba.
    Z drugiej strony coś w stylu attiny w sot23-6 tylko w normalniejszych pieniądzach ;-) EEPROM w środku ma, pseudo źródło prądowe przez dowieranie odpowiedniego rezystora do masy (krótkie odległości, więc przy odpowiedniej tolerancji wartości stanów można pominąć rezystancję połączeń itp.) i dałoby się to zrobić. Tylko kwestia czy po identyfikacji ma się jakoś odłączyć, czy uśpić za jakimś rezystorem i zenerką ;-)