Tänä päivänä kehittynyt elektroniikkatekniikka tarjoaa meille sekä laadukkaita valonhimmennysratkaisuja että lisämahdollisuuksia säästää arvokasta energiaa. Erityisesti analoginen himmennys on yksi suosituimmista himmennystekniikoista kaupallisissa tiloissa. Tämä artikkeli on harjoittelijan opas joihinkin yleisiin tekniikoihin ja ideoihin, joita käytetään yleisesti analogisessa himmennyksessä. Huomaa kuitenkin, että analoginen himmennys koostuu kahdesta haarasta – voimajohtohimmennyksestä ja pienjännitehimmennyksestä. Tässä keskitytään ensisijaisesti jälkimmäiseen, matalajännitteiseen himmennykseen!

Matalajännitteinen (0-10V & 1-10V) himmennys selitetty

Matalajännitteisessä himmennyksessä käytetään lisäkaapeleita matalajännitesignaalien vastaanottamiseen korkeajännitteisen liitäntälaitteen/taajuusmuuttajan ohjaamiseksi, jotta se voi säätää valon ulostuloa vastaanotetun ohjaussignaalin perusteella. Yleisin himmennystapa on 0-10V-himmennys, joka käyttää laajalti analogista matalajännitesignaalia säätämään ohjaimen ulostuloon kytketyn loisteputki-/kiinteän tilan valaistuskuorman kirkkaustasoa. On olemassa myös 1-10V-himmennys, toinen analoginen protokolla, jota käytetään yleisen valaistuksen himmentämiseen (molemmat protokollat käyttävät jännitetasoja kommunikointiin ohjaimen kanssa). 0-10V-menetelmää käytetään yleensä viihdevalaistuksessa, kun taas 1-10V-menetelmä on yleisempi yleisvalaistuksessa.

0-10V- ja 1-10V-typologiat on helppo oppia. Koska ne eivät kuitenkaan tue kaksisuuntaista viestintää, lisäjärjestelmät voivat olla tarpeen, jos tarvitaan antureita. Molemmat analogiset protokollat käyttävät jännitetasoja “keskustellakseen” ohjaimen kanssa. Maksimaalisen valotehon aikaansaamiseksi käytetään 10 V:n jännitettä ja pienemmän valotehon aikaansaamiseksi pienempää jännitettä. Kuten alla olevasta kuvasta näkyy (kiitos www.eldoled.com), 9,1V:n ja 10V:n välillä kirkkaus ei muutu monissa järjestelmissä. Samoin 0,5V:n ja 1,5V:n välillä ei tapahdu juuri mitään muutoksia (alle 0,5V:n kohdalla valo sammuu). Nämä marginaalit ovat välttämättömiä 0-10V- ja 1-10V-järjestelmiin olennaisesti kuuluvien toleranssien kompensoimiseksi.

1-10V:n (myös 0-10V:n) yksityiskohtainen himmennysvasteen kuvaaja löytyy alla olevasta kuvasta (kiitos www.meanwell.eu).

Lyhyesti sanottuna 0-10V:n himmennys käyttää analogista matalajännitesignaalia kytketyn kuorman himmennystasojen säätöön. Monet kuormatyypit, kuten loisteputket ja LEDit, käyttävät tätä perinteistä himmennystapaa. Peruskaapelointi koostuu korkeajännitepiirin johdotuksesta ja toissijaisista matalajänniteohjaus-/signaalijohdoista, jotka yhdistävät liitäntälaitteen (ohjaimen) himmenninohjaukseen.

0-10V tosielämässä – poikkeaa normista

Kuten eräässä verkko-oppaassa todetaan, 0-10V:n ja 1-10V:n keskeinen ero on se, että 0-10V on yleensä virtalähdejärjestelmä, eli himmenninlaite tuottaa virran 0-10V-signaaleille (himmenninlaitteeseen tarvitaan siis verkkoliitäntä), kun taas 1-10V on virranimeytysjärjestelmä, mikä tarkoittaa, että himmenninlaite ei tarvitse verkkovirtaa (valon sammuttamiseen tarvitaan ehdottomasti verkkokytkin). Epäilen näitä aihioita, joten jos pystyt, tee vähän tutkimusta itse.

Lisäksi on todettu, että vaikka ‘IEC-standardi 60929’ määrittelee yksityiskohtaisesti 0-10V-ohjausmenetelmän, monet valmistajat eivät noudata sitä. Tämä pätee erityisesti LED-valaistusmarkkinoilla. Myös jännitekartoitus vaihtelee valmistajittain. Monet niistä käyttävät 0-10V (tai 1-10V) -alueita, joissa alin jännite osoittaa alhaisimman lähtötason ja ylin taso osoittaa kirkkaimman lähtötason, kun taas jotkut muut saattavat käyttää 10-1V (tai 10-0V) -järjestelmää, jossa korkein taso osoittaa alhaisimman lähtötason ja alin taso korkeimman lähtötason. Varaudu siis tunnustelemaan laitettasi saadaksesi käsityksen oikeasta ohjausmenetelmästä.

Miten himmentää “himmennettäviä” LEDejä?

Minulla on vain vähän kokemusta 0(1)-10V protokollasta. Löysin keinon saada käyttööni joitakin ‘Mean Well’ LED-ajureita (kiitos iäkkään naapurin). Nuo siistit LED-ajurit tarjoavat himmennystoiminnon kolmella eri tulosignaalilla/asetuksella, eli DC 0(1)-10V, 100KΩ-vastuksen himmennys ja pulssinleveysmodulaatio (PWM). Ensimmäinen vaihtoehto on vain kokeilla yksinkertaista 100KΩ-potentiometriä. Tämä on nopeaa, edullista ja helppoa. Katso alla olevasta kuvasta, miten 100KΩ-standardipotentiometri kytketään himmennysjohtimiin.

Toinen vaihtoehto on käyttää yhtä kaupallista “elektronista potentiometriä”, jota kutsutaan usein nimellä “DC 0(1)-10V himmennin” (0-10V/1-10V spekseihin sopiva himmennin), koska se toimii iloisesti LED-ohjaimen himmennysliitännän kanssa.

Viimeinen (ja useimmiten valmistajaystävällinen) himmennysratkaisu on käyttää himmentävän kytkimen/ohjaimen tuottamaa PWM-signaalia. Luonnollisesti Arduino-mikrokontrolleria voidaan käyttää toimittamaan sopiva PWM-signaali (~100Hz-120Hz tyypillisesti) himmennysjohtimiin valotehon säätämiseksi. Jos näin on, kun PWM-sykliä pienennetään, LED-ohjain laskee LED-ohjaimen ulostuloa. Kannattaa huomioida, että kyseinen LED-ohjain on kuormitettava mahdollisimman lähelle sen nimellistä maksimitehoa (90-95 %), jotta himmennys olisi tasaista.

Talon sisäisiä himmennysideoita mikrokontrollereiden avulla

Minä pääsen asiaan. Tämä istunto käsittelee sitä, miten rakentaa ja soveltaa himmentimiä valaistuksen ohjaukseen. Satunnaiset teoreettiset ajatukset ovat helpoimpia skeemoja. Nyt haluaisin jakaa ajatukseni siitä, miten mikrokontrolleria voidaan käyttää ytimenä LED-valaisimien ohjaamiseen himmennettävillä ohjaimilla, jotka ovat identtisiä tässä esiteltyjen kanssa.

Periaatteessa se, mitä tarvitsemme 0(1)-10V-järjestelmään, on digitaalis-analoginen muunnin (D/A tai DAC). Tässä tapauksessa haluamme, että koko alue on 0-10VDC. Tässä on yksi tökerö idea, joka luultavasti toimii:

Yllä esitetty piiri on yksinkertainen ei-invertoiva operaatiovahvistin (Op-Amp). Kun op-vahvistin saa tulon ei-invertoivaan lähtöön, se nostaa tai laskee lähtöä, kunnes sen invertoivan lähdön taso on sovitettu. Koska lopullisen lähtöjännitteen takaisinkytkentää varten on jännitteenjakaja, lähtöjännite on Vin x (1+(R1/R2)). Ihannetapauksessa, kun vastukset ovat samanarvoisia, vahvistus on yhtä suuri kuin x2 ja ulostulon, kun sitä ohjataan 5V-mikrokontrollerilla, pitäisi olla 10V. Mikrokontrolleri ei kuitenkaan välttämättä anna tarkkaa 5V:n ulostuloa. Lopullinen ulostulo voidaan trimmata lisäämällä 10KΩ monikierroksinen trimpotti jännitteenjakajan keskelle. Löydät toisen idean täältä https://www.codrey.com/electronic-circuits/pwm-to-voltage-module-v1/

Olet vapaa käyttämään omaa menetelmäsi tämän konseptin loppuunsaattamiseksi. Voit kuitenkin joko kokeilla digitaalista potentiometriä (https://www.electroschematics.com/learn-use-digital-potentiometers/) Arduino-piirissäsi tai käyttää ‘analogista kirjoitusta’ PWM-pinniin (lisää myöhemmin).

Toinen tapa päästä paljon parempiin tuloksiin, erityisesti 3,3V-mikrokontrollereiden kanssa, on käyttää dedikoitua DAC-sirua, kuten MCP4725. MCP4725 on 12-bittinen (0-4095), rail-to-rail, DAC-siru, jossa on myös sisäinen EEPROM. Katso https://www.electroschematics.com/arduino-dac-guide/.

Etsitkö valmiita suunnitteluratkaisuja?

Onneksi vakavasti otettavat elektroniikkaharrastajat ja -valmistajat voivat nyt rakentaa omia kokonaisia himmennettäviä LED-valaisimia kotonaan, sillä elektroniikkamarkkinoilla on laaja valikoima puolijohderatkaisuja. Esimerkiksi “dialog semiconductorin” iW337 on signaaliliitännän ohjain analogiselle (0-10V), pulssinleveysmodulaatiolle ja vastuksen himmennykselle.

Siru muuntaa jommankumman näistä kolmesta tulosignaalista 1 % – 100 %:n PWM (100 Hz – 50 khz) -tahtisykliksi, jota voidaan käyttää himmennussignaalin antamiseen ensisijaisen puolen LED-ohjaimelle. Katso sen tyypillinen sovelluspiiri alla.

CDM10V on toinen ‘Infineon Technologiesin’ (http://www.infineon.com/CDM10V) tarjoama joustava 0-10V-himmennysratkaisu. CDM10V-siru on täysin integroitu 0-10V-himmennysliitäntä, jota voidaan käyttää lähettämään analogisia jännitepohjaisia signaaleja 0-10V-himmennin tai potentiometri 0-10V-himmennin tai potentiometri valaistuksen ohjaussirun himmennys- tai PWM-tuloon 5 mA:n virtapohjaisena, ohjelmoitavissa olevalla taajuudella toimivana PWM-signaalina (0-100 %), jolla voidaan ohjata ulkoista optokytkintä. Lisäksi sen sarjaportti mahdollistaa laitteen toimintaa koskevien parametrien kertaluonteisen uudelleenkonfiguroinnin.

Loppuhuomautukset…

Tietoisille tai tietämättömille, on olemassa erilaisia ohjausjärjestelmiä, jotka toimivat hyvin LED-valaistuksen kanssa, mutta ammattimaisessa LED-valaistuksessa yleisimmin käytetyt ovat 0-10V-, 1-10V-, DALI- ja DMX-järjestelmät. https://www.electroschematics.com/an-introduction-to-the-digital-multiplex-protocol/

Nyt odottelen erikoiskomponentteja ja -laitteita (hidas laiva Kiinasta). Listalla on pari diskreettiä komponenttia ja muutama MeanWellin LED-ajuri. Annan toisen “päivitetyn” postauksen tähän sarjaan noin seuraavan kuukauden aikana, jossa näytän ainakin yhden käytännön rakentamisen (ehkä ato mukauttaa nielu/lähde-ominaisuuksia) ja sen toiminnan. Siihen asti on hauskaa rakentaa omia projekteja. Muista valita oikea LED-lamppu, joka toimii hyvin ehdotetun laitteiston kanssa, ennen kuin teet kokeita. Ja varmista, että ohjaimen ‘laatikon’ ja himmentimen ‘nupin’ elektroniikan välillä ei ole epäsuhtaa.

Kaiken kaikkiaan tämä artikkeli on pelkkä aloittelijan alkuopas, joka valottaa vähän ‘0(1)-10V’ pienjännitteisiä himmennystekniikoita. Toivottavasti tämä auttaa muita ja he voivat oppia tästä myös. Koska arkkitehtoniset himmennysmarkkinat käsittävät ilkeän valikoiman vakiomuotoisia (ja ei-vakiomuotoisia) analogisia himmennysmenetelmiä, käytä oppimiskykyäsi mahdollisimman paljon, kun seuraat näitä ajatuksia. Lisäksi varastin häpeämättömästi “teoriapätkiä” kiinalaisten OEM-julkaisujen hämmentävästä sekamelskasta, joten mitään takuita ei anneta!

Se on kaikki nyt, kiitos huomiostasi, ole varovainen kohtalokkaan sähkön kanssa!

…

Lisäys: Jopa laiska googlaaminen avainsanalla “PWM LED-himmenninmoduulit, joissa on potentiometri- tai analoginen 0-10 V -ohjaus” palaa käyttökelpoisten tietojen vyöry. Tässä on pikainen speksejä tällaisesta kaupallisesta, avokehyksellisestä, semi-knockdown-laitteesta, jonka löysin netistä.