Dnes nám pokročilá elektronická technologie nabízí jak vysoce kvalitní řešení stmívání světla, tak další možnosti úspory cenné energie. Pozoruhodné je, že analogové stmívání je jednou z nejoblíbenějších technologií stmívání v komerčních prostorách. Tento článek je tyranským průvodcem některými obecnými technikami a myšlenkami široce používanými v analogovém stmívání. Mějte však na paměti, že analogové stmívání se skládá ze dvou větví – stmívání po silovém vedení a stmívání nízkým napětím. Primárně se zde zaměříme na druhou z nich, na nízkonapěťové stmívání!”
Vysvětlení nízkonapěťového (0-10V & 1-10V) stmívání
Nízkonapěťové stmívání využívá přídavné kabely pro příjem nízkonapěťových signálů pro ovládání vysokonapěťového předřadníku/ovladače, který na základě přijatého řídicího signálu upravuje světelný výkon. Nejběžnější metodou stmívání je stmívání 0-10V, které v širokém měřítku využívá analogový nízkonapěťový signál k regulaci úrovně jasu zářivkové/pevnolátkové zátěže připojené na výstupu ovladače. Pozoruhodné je, že existuje také stmívání 1-10V, což je další analogový protokol používaný pro stmívání obecného osvětlení (oba protokoly používají ke komunikaci s ovladačem napěťové úrovně). Metoda 0-10V se obvykle používá pro zábavní osvětlení, zatímco metoda 1-10V je běžnější v obecném osvětlení.
Typologie 0-10V a 1-10V se snadno naučíte. Protože však nepodporují obousměrnou komunikaci, mohou být v případě potřeby čidel nutné přídavné systémy. Oba analogové protokoly používají ke “komunikaci” s ovladačem napěťové úrovně. Napětí 10 V se používá pro maximální světelný výkon a nižší napětí pro nižší světelný výkon. Jak můžete vidět na následujícím obrázku (díky www.eldoled.com), mezi 9,1 V a 10 V nedochází v mnoha systémech ke změně jasu. Stejně tak mezi 0,5 V a 1,5 V nedochází téměř k žádné změně (pod 0,5 V světlo zhasne). Tyto rezervy jsou nezbytné pro kompenzaci tolerancí, které jsou nedílnou součástí systémů 0-10V a 1-10V.
Podrobný graf odezvy stmívání 1-10V (i 0-10V) najdete na obrázku níže (díky www.meanwell.eu).
Zjednodušeně řečeno, stmívání 0-10V využívá analogový nízkonapěťový signál k nastavení úrovně stmívání připojené zátěže. Tento tradiční způsob stmívání používá mnoho typů zátěží, včetně zářivek a LED. Základní schéma zapojení se skládá z vysokonapěťového obvodového vedení a sekundární sady nízkonapěťových řídicích/signálních vodičů, které připojují předřadník (ovladač) k ovládání stmívače.
0-10V v reálném životě – odlišné od normy
Jak lze nalézt v online příručce, hlavní rozdíl mezi 0-10V a 1-10V spočívá v tom, že 0-10V je obvykle systém s proudovým zdrojem, to znamená, že stmívací zařízení poskytuje napájení pro signály 0-10V (je tedy nutné síťové připojení ke stmívacímu zařízení), zatímco 1-10V je systém proudového zdroje, což znamená, že stmívací zařízení nepotřebuje síťové napájení (pro vypnutí světla je naprosto nezbytný síťový vypínač). O těchto polotovarech pochybuji, takže pokud jste schopni, udělejte si malý průzkum sami.
Kromě toho bylo zjištěno, že ačkoli “norma IEC 60929” podrobně popisuje způsob řízení 0-10V, mnoho výrobců se jí neřídí. To platí zejména pro trh s LED osvětlením. Mapování napětí se také u jednotlivých výrobců liší. Mnoho z nich gestoruje rozsahy 0-10V (nebo 1-10V), kde nejnižší napětí označuje nejnižší úroveň výstupu a nejvyšší úroveň označuje nejjasnější výstup, zatímco někteří jiní mohou používat schéma 10-1V (nebo 10-0V), kde nejvyšší úroveň označuje nejnižší úroveň výstupu, zatímco nejnižší úroveň označuje nejvyšší úroveň výstupu. Připravte se tedy na to, že budete muset zařízení prozkoumat, abyste získali představu o správném způsobu řízení.
Jak stmívat “stmívatelné” LED diody?
Mám jen malé zkušenosti s protokolem 0(1)-10V. Našel jsem způsob, jak získat využití některých ovladačů LED ‘Mean Well’ (díky staršímu sousedovi). Tyto parádní LED ovladače nabízejí funkci stmívání se třemi různými vstupními signály/nastaveními, tj. stejnosměrné 0(1)-10V, stmívání rezistorem 100KΩ a pulzně šířkovou modulaci (PWM). První možností je prostě zkusit jednoduchý potenciometr 100KΩ. Je to rychlé, cenově dostupné a snadné. Na níže uvedeném obrázku je znázorněno, jak ke stmívacím vodičům připojit standardní potenciometr 100KΩ.
Další možností je použití jednoho komerčního “elektronického potenciometru”, často nazývaného jako “DC 0(1)-10V Dimmer” (stmívač specifikace 0-10V/1-10V), protože spokojeně spolupracuje se stmívacím portem LED ovladače.
Posledním (a většinou pro výrobce přívětivým) řešením stmívání je použití PWM signálu generovaného stmívacím spínačem/regulátorem. K dodávání vhodného PWM signálu (typicky ~100 Hz-120 Hz) do stmívacích vodičů pro regulaci světelného výkonu lze samozřejmě použít mikrokontrolér Arduino. V takovém případě, když se sníží pracovní cyklus PWM, regulátor LED sníží výkon ovladače LED. Stojí za zmínku, že dotyčný ovladač LED musí být zatížen co nejblíže svému jmenovitému maximálnímu výkonu (90-95 %), aby bylo zajištěno plynulé stmívání.
Nápady na stmívání ve vlastní režii pomocí mikrokontrolérů
Dostávám se k věci. Toto sezení je o tom, jak sestavit a použít stmívače pro řízení osvětlení. Náhodné teoretické myšlenky jsou nejjednoduššími schématy. Nyní bych se rád podělil o své nápady, jak použít mikrokontrolér jako jádro pro řízení LED svítidel se stmívatelnými ovladači totožnými s těmi, které zde byly představeny.
Zásadně to, co potřebujeme pro schéma 0(1)-10V, je digitálně-analogový převodník (D/A nebo DAC). V tomto případě chceme, aby celý rozsah byl 0-10VDC. Zde je jeden hrubý nápad, který bude pravděpodobně fungovat:
Výše uvedený obvod je jednoduchý neinvertující operační zesilovač (Op-Amp). Když op-amp obdrží vstup na neinvertující výstup, bude zvyšovat nebo snižovat výstup, dokud se nevyrovná úroveň na jeho invertujícím výstupu. Protože je zde dělič napětí pro zpětnou vazbu konečného výstupního napětí, bude výstupní napětí Vin x (1+(R1/R2)). V ideálním případě se při stejných hodnotách rezistorů zesílení rovná x2 a výstup při řízení mikrokontrolérem 5V by měl být 10V. Mikrokontrolér však nemusí mít na výstupu přesně 5V. Konečný výstup lze upravit přidáním víceotáčkového trimru 10KΩ doprostřed děliče napětí. Další nápad najdete zde https://www.codrey.com/electronic-circuits/pwm-to-voltage-module-v1/
K dokončení tohoto konceptu můžete použít vlastní metodu. Nicméně můžete buď vyzkoušet digitální potenciometr (https://www.electroschematics.com/learn-use-digital-potentiometers/) v obvodu Arduino, nebo použít “analogový zápis” na pin PWM (více později).
Jinou možností, jak dosáhnout mnohem lepších výsledků, zejména s 3,3V mikrokontroléry, je použití specializovaného čipu D/A převodníku, jako je MCP4725. MCP4725 je 12bitový (0-4095), rail-to-rail, DAC čip, který má také vestavěnou paměť EEPROM. Viz https://www.electroschematics.com/arduino-dac-guide/.
Naštěstí si nyní mohou vážní zájemci o elektroniku a výrobci sestavit doma celá stmívatelná LED svítidla, protože na trhu s elektronikou existuje široká nabídka polovodičových řešení. Například iW337 od společnosti “dialog semiconductor” je řadič signálového rozhraní pro analogové (0-10V), pulzně šířkovou modulaci a odporové stmívání.
Čip převádí kterýkoli z těchto tří vstupních signálů na 1%-100% pracovní cyklus PWM (100Hz-50kHz), který lze použít k zajištění stmívacího signálu pro LED ovladač na primární straně. Viz jeho typické aplikační zapojení níže.
Čip CDM10V je dalším flexibilním řešením stmívání 0-10 V, které nabízí společnost ‘Infineon Technologies’ (http://www.infineon.com/CDM10V). Čip CDM10V je plně integrované rozhraní pro stmívání 0-10V, které lze použít k přenosu analogových signálů založených na napětí ze stmívače nebo potenciometru 0-10V na stmívací vstup nebo vstup PWM řídicího čipu osvětlení ve formě proudového signálu PWM s programovatelnou frekvencí 5 mA (0-100 %) pro řízení externího optočlenu. Dále jeho sériový port umožňuje jednorázovou rekonfiguraci parametrů pro funkci zařízení.
Závěrečné poznámky…
Pro ty, kteří vědí nebo nevědí, že existují různé řídicí systémy, které dobře fungují s osvětlením LED, ale nejčastěji používané v profesionálním osvětlení LED jsou systémy 0-10V, 1-10V, DALI a DMX. https://www.electroschematics.com/an-introduction-to-the-digital-multiplex-protocol/
Teď čekám na nějaké speciální komponenty a zařízení (pomalá loď z Číny). Seznam obsahuje pár diskrétních součástek a nějaké LED ovladače MeanWell. Během příštího měsíce poskytnu další “aktualizovaný” příspěvek v této sérii, který ukáže alespoň jednu praktickou sestavu (možná s funkcemi ato adapt sink/source) a její fungování. Do té doby vám přeji příjemnou zábavu při stavbě vlastních projektů. Než se pustíte do experimentů, nezapomeňte vybrat správnou LED žárovku, která bude dobře fungovat s navrhovaným hardwarem. A ujistěte se, že nedochází k nesouladu mezi elektronikou “krabičky” ovladače a “knoflíku” stmívače.
Podle všeho je tento článek pouze začátečnickou příručkou, která má vrhnout trochu světla na nízkonapěťové techniky stmívání “0(1)-10V”. Doufám, že to pomůže i ostatním a že se z toho také poučí. Vzhledem k tomu, že trh architektonického stmívání chápe nepříjemnou škálu standardních (i nestandardních) analogových metod stmívání, využijte prosím při sledování těchto myšlenek maximálně své schopnosti učení. Dále jsem bezostyšně ukradl “kousky teorie” z nepřehledné změti čínských OEM publikací, proto za ně neručím!
To je prozatím vše, děkuji za pozornost, buďte opatrní s osudnou elektřinou!
…
Dodatek: I líné googlování klíčového slova “PWM LED stmívací moduly s potenciometrem nebo analogovým řízením 0-10 V” vrátí lavinu užitečných údajů. Toto je rychlá specifikace takového komerčního zařízení s otevřeným rámečkem a polovičním knoflíkem, kterou jsem našel na internetu.