Система освещения с безопасным питанием и управлением яркостью светодиодных ламп

Во многих случаях, например при освещении промышленных и складских помещений, помещений с высокой влажностью, птицеводческих фабрик, свиноферм, для ландшафтного освещения и т. п., необходимо безопасное напряжение питания. Для таких применений компаниями «Интеграл» и СКТБ «Микроника», «Тандем Электроника» разработаны и освоены в производстве светодиодные (LED) светильники с напряжением питания 24 В и системы освещения на их основе. В них используются активные компоненты (MOSFET, ИМС), LED-драйверы и система управления (СУ) освещением собственной разработки, обладающая рядом преимуществ:

• глубина регулирования освещенности 3-100%, что позволяет реализовать специальные режимы освещения, например имитацию суточного цикла «рассвет-день-закат-ночь», что весьма актуально для птицеводческих фабрик;
• использование LED-ламп из поликарбоната со степенью защиты IP65-IP67 и цветовой температурой 2500-6000 К;
• модульность (линии светодиодных ламп с суммарной мощностью 450-550 Вт каждая с отдельными для каждой линии блоками питания, подключенные к единой системе управления);
• неравномерность освещения по площади помещения не более 7%.

Система управления

В состав СУ светодиодным освещением входят:

• контроллер силового питания;
• шкаф управления с источниками питания (ИП);
• лампы светодиодные 6-9 Вт со встроенным управляемым источником питания светодиодов (УИПС);
• комплект кабелей питания;
• пульт управления.

СУ построена на базе комплекта технических средств, специально разработанного для построения распределенных систем управления освещением. В рассматриваемой версии системы задействованы следующие электронные модули комплекта: пульт управления, драйвер линии, контроллер силового питания и УИПС, конструктивно совмещенный со светодиодной лампой. Структура системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема СУ светодиодными светильниками

Пульт оператора — центральный модуль системы, который обеспечивает интерфейс «человек-система», позволяет управлять и контролировать УИПС и модуль управления нагрузками, а также обеспечивать синхронизацию всех электронных устройств распределенной СУ при отработке общего алгоритма управления освещением.

В ручном режиме посредством пульта оператор может управлять каждым элементом системы автономно. В автоматическом режиме пульт обеспечивает управление освещенностью в соответствии с технологической программой, в которой заданы режимы суточного цикла и уровни освещенности в соответствии с технологическими параметрами производства. Программа освещенности отрабатывается по таймеру реального календарного времени.

Контроллер силового питания связан с пультом системы по цифровому каналу. Он выполняет поступающие с пульта команды по управлению и диагностике состояния силовых линий системы. Параметры ИП определяются исходя из габаритов помещения и количества линий.

Драйвер линии взаимодействует с пультом по цифровому каналу связи и выполняет команды, связанные с управлением уровнем освещенности линий. В данной версии используется частотный канал управления. УИПС, в зависимости от величины управляющего частотного сигнала, осуществляет управление током светодиодов.

Лампа, изготовленная из ударопрочного поликарбоната, представляет собой аналог лампы с цоколем Т8 длиной 600-1800 мм. Внутри размещены плата светодиодов и плата УИПС. С одного торца лампы установлена герметичная заглушка, с другого — герметичный кабельный ввод. Лампы укомплектованы удобными подвесами, обеспечивающими простой и быстрый монтаж. Расчетный срок службы — более 40 тыс. ч.

УИПС

Управляемый источник питания при решении задачи создания интеллектуальных систем освещения обеспечивает реализацию двух основных функций:

• прием, обработка и передача микросхеме LED-драйвера управляющего сигнала;
• обеспечение заданной интенсивности свечения светодиодов при их оптимальных режимах работы.

Конструктивно УИПС реализован на одной плате (рис. 2, 3), которая содержит интерфейсную схему, преобразователь управляющих сигналов в линейный сигнал управления током светодиодов и источник импульсного тока питания светодиодов (LED-драйвер). Интерфейсная схема может быть выполнена как оптически изолированный приемник (рис. 4) или как приемопередатчик CAN (рис. 5). В качестве управляющего сигнала выбраны импульсы низкой частоты (до 5 кГц), что обеспечивает отличную помехозащищенность, надежность и простоту реализации. Преобразователь управляющего сигнала в линейный может быть реализован на любой ИМС преобразователя частоты (например, KA331, LM2917, TC9400 и т. п.). LED-драйвер представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) со входом линейного димминга, который через согласующую цепочку подключен к преобразователю частоты.

Рис. 2. Внешний вид УИПС с приемопередатчиком CAN: а) вид сверху; б) вид снизу

Рис. 3. Внешний вид УИПС с оптически изолированным приемником: а) вид сверху; б) вид снизу

Рис. 4. Блок-схема УИПС с оптически изолированным приемником

Рис. 5. Блок-схема УИПС с приемопередатчиком CAN

Управление интенсивностью свечения (яркостью) светодиодов осуществляется по следующему алгоритму (рис. 4, 5): цифровой управляющий сигнал формируется контроллером пульта управления системы в соответствии с установленной на нем программой и поступает по двухпроводному каналу связи в интерфейсную схему УИПС. Интерфейсная схема согласует уровни напряжений управляющего сигнала с уровнями, необходимыми преобразователю частота/напряжение, а тот, в свою очередь, управляет яркостью светодиодов через вход линейного димминга микросхемы.

Основные характеристики УИПС:

• габариты (Д×Ш×В) 30×21×25 для УИПС с оптически изолированным приемником и 32,5×21×25 для УИПС с приемопередатчиком CAN;
• диапазон входных напряжений 19-28 В;
• выходное напряжение 12,8 В (четыре последовательных светодиода);
• выходная мощность 6-9 Вт;
• выходной ток 480 мА (6 Вт) и 720 мА (9 Вт);
• стабильность по току ±2%;
• эффективность >85%.

Зависимости выходного тока светодиодов от питающего напряжения и управляющего сигнала представлены на рис. 6-8.

Рис. 6. Зависимость тока светодиодов от частоты управляющего сигнала

Рис. 7. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения драйвера мощностью 6 Вт

Рис. 8. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения драйвера мощностью 9 Вт

Применение

Одной из перспективных областей применения системы освещения на светодиодных светильниках с безопасным питанием является птицеводство. Система с лампами мощностью 6 Вт по габаритам, мощности и цене оптимизирована для технологии клеточного содержания бройлеров, система распределения освещенности в середине помещения: светлый тон — максимальная освещенность 105,5 лк; темный — минимальная 100 лк распределения освещенности в середине помещения: светлый тон — максимальная освещенность 105,5 лк; темный — минимальная 100 лк с лампами мощностью 9 Вт — для напольного содержания.

Расчет оптимального расположения ламп в помещении с напольным содержанием проводится при помощи специально разработанной технологической программы. Данная программа позволяет выбрать оптимальное расположение светильников с учетом заданных параметров и ограничений: средней освещенности в помещении, неравномерности освещения, цен на светильники, ИП и кабели. На рис. 9 и в таблице приведен вариант решения задачи поиска оптимального расположения светильников мощностью 9 Вт каждый при требовании к величине средней освещенности в центре помещения 100-106 лк и минимальному отклонению от нее. Освещенность вдоль стен помещения всегда будет другая, и обычно ее величина оговаривается отдельно для каждого конкретного проекта.

Рис. 9. Фрагмент полутоновой диаграммы распределения освещенности в середине помещения: светлый тон — максимальная освещенность 105,5 лк; темный — минимальная 100 лк

Рис. 10. Гистограмма распределения освещенности во фрагменте, показанном на рис. 9

Заключение

В статье рассмотрена автоматизированная система освещения с безопасным питанием и возможностью программируемого управления освещенностью. Система построена на базе универсального комплекта технических средств, специализированного для построения распределенных систем управления освещением с возможностями как группового управления источниками света, так и индивидуального управления каждым источником. Показано решение данной системы для применения на птицеводческих фабриках с возможностью группового управления светодиодными светильниками мощностью 6 Вт, разработанными специально под требования клеточного содержания птицы, и мощностью 9 Вт, разработанными для напольного содержания птицы. 

Литература

1. Отчет по ОКР «Комплект аппаратно-программных средств систем автоматического управления освещением». Минск. ОАО «ИНТЕГРАЛ», 2010.
2. Лебедев В., Котов В., Цевелюк Е., Шестопалов С., Янель Н. LED-драйверы и системы управления светодиодным освещением // Полупроводниковая светотехника. 2014. № 1.
3. Цевелюк Е., Котов В. Обзор LED-драйверов для светодиодных ламп широкого применения // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 5.