ДИММЕР ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ И СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ

Полищук Сергей Игоревич

студент 3 курса, кафедра радиоэлектронных средств БГУИР, г. Минск

Е-mail: sergey4ever@mail.ru

Позняк Александр Анатольевич

научный руководитель, канд. физ.-мат. наук, доцент БГУИР, г. Минск

I. Введение

Целью данной работы является проектирование и изготовление устройства управления яркостью источников света (диммер), а также программного обеспечения для ее функционирования. В процессе разработки были изучены: принципы регулирования яркости источников света; управление биполярными и полевыми транзисторами методом ШИМ; цифровой протокол передачи данных DMX-512 и шумоподавление при приеме цифровых данных. В результате проведенной работы были изготовлены партии 12-канальных и 9-канальных диммеров, успешно примененных при создании систем освещения и декоративной подсветки в Музее природы Национального парка Республики Беларусь «Беловежская пуща» и в дискоклубе г. Бреста «СИТИ».

II. Современные светодиодные источники

Со временем человек обустроил свою жизнь так, что для своей жизнедеятельности ему стало не хватать естественных источников света, и он начал задумываться над получением искусственных источников света. Самым первым искусственным источником света был огонь. Открытие электричества привело к активному развитию электрических источников света, таких как лампы накаливания, люминесцентные лампы и прочие. Продолжительное время они занимали прочную позицию среди искусственных источников света. Прогресс не стоит на месте, и с развитием полупроводниковой промышленности стало динамично развиваться твёрдотельное (светодиодное) освещение (Solid-StateLighting — SSL) — новая быстро развивающаяся отрасль промышленности, возникшая на стыке полупроводниковой электроники и светотехники. Главные преимущества SSL — высокая светоотдача и длительный рабочий ресурс [4], позволяющие в разы снизить затраты на электроэнергию и эксплуатационные расходы для осветительной аппаратуры. На данный момент среди электрических источников света — светодиодные являются самыми надёжными, экономичными, экологичными и безопасными, не содержащими вредных веществ [4, 5, 6].

Рисунок 1. Различные полупроводниковые светодиоды

Что касается достоинств светодиодов (рис. 1), то к ним следует причислить сверхдолгий срок службы (до 10⁵ ч) [7]; низкое энергопотребление; высокую светоотдачу; возможность работы при низких температурах; широкий температурный диапазон эксплуатации; чистоту цвета, то есть возможность получения любого цвета и оттенка излучения светодиодов; высокий уровень безопасности, обеспечиваемый малым тепловыделением светодиодов и низким питающим напряжением, что дает возможность их использования под водой, в условиях с высокими требованиями к взрывозащищенности и других специальных условиях применения; компактные установочные размеры; варьируемая направленность излучения; простота электромонтажа и легкость крепления к любой поверхности, существенно облегчающие и удешевляющие монтаж и ремонт, стойкость к механическим воздействиям; безинерционность; возможность управления через контроллеры [1], диммеры — устройства регулирования яркости источников света; экологическая и пожарная безопасность, отсутствие побочного. У Фили инфракрасного (ИК) излучения и слабый нагрев [4, 6].

III. Системы управления светодиодами

На данный момент существуют различные варианты систем управления: от простого, когда свето-динамические эффекты генерируются программным обеспечением, заложенным в контроллер светодиодного светильника, до самого сложного, когда с помощью специализированного программного обеспечения можно создавать сценарии светодиодной подсветки любой сложности. Системы управления можно разделить на три вида:

·     внутренний контроллер светильника;

·     система управления на базе модулей и внешних световых пультов;

·     система управления на базе персонального компьютера (ПК).

Каждая из систем имеет множество вариантов и подстраивается под конкретный проект. Самая простая (внутренний контроллер светильника) предполагает автономное управление, когда свето-динамический эффект генерируется программным обеспечением, заложенным в контроллер светильника. Эффекты-могут быть различными: переливы цвета, «бегущие огни», диммирование. Более функциональной является система управления на базе модулей и внешних световых пультов. Она состоит из контроллера и пульта дистанционного управления. Управление светодиодными светильниками осуществляется по протоколу DMX-512. Эта система позволяет устанавливать предварительно запрограммированные режимы работы, управлять яркостью светильников во всех режимах, варьировать цветовую гамму подсветки, а также скорость смены цветов. Внешние пульты — идеальный вариант управления небольшим количеством светодиодных светильников. Наиболее функциональным вариантом является система управления на базе ПК. Она состоит из ПК, специализированного программного обеспечения, конвертера USB/RS-485, сплиттера. Управление светильниками также осуществляется по протоколу DMX-512. Персональный компьютер с установленным на него специализированным программным обеспечением служит источником управляющего сигнала. Для работы вне помещений могут использоваться встраиваемые компьютеры с расширенным температурным диапазоном. Система управления на базе ПК имеет наиболее широкие возможности из всех рассматриваемых систем. Она позволяет:

·     применять любые цвето-динамические эффекты для группы, состоящей из одинаковых светильников;

·     создавать, сохранять и редактировать сценарии светодиодной подсветки произвольной длительности, состоящие из произвольного количества цвето-динамических эффектов;

·     накладывать эффекты друг на друга;

·     выбирать цветовую гамму подсветки, её насыщенность, яркость;

·     просматривать созданный сценарий светодиодной подсветки в режиме реального времени;

·     выбирать светильники, к которым будет применяться созданный видеоэффект.

Рисунок 2. Влияние силы тока на световой поток

Диммирование — изменение яркости светодиода. Оно реализуется на двух уровнях: непосредственно внутри светильника и с помощью внешних контроллеров. Диммирование внутри светильника может осуществляться аналоговым методом, а также методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При аналоговом методе для регулировки светового потока просто меняется сила тока. С её увеличением световой поток светодиода увеличивается, но, чем больше сила тока, тем меньше это увеличение [1, 2]. Таким образом, с увеличением силы тока светоотдача светодиода (отношение светового потока к потребляемой мощности) уменьшается (рис. 2). К тому же, увеличение силы тока сказывается на ходе деградации светодиодов по мере наработки, и, соответственно, на общем сроке их службы. Также меняются спектральные характеристики светодиода. Для цветных светодиодов это приводит к цветовому искажению, для белых — к изменению цветовой температуры. По всем перечисленным причинам данный метод можно считать неудобным в использовании. Более эффективен метод широтно-импульной модуляции(ШИМ). Суть его заключается в том, что на светодиод подается не постоянный, а импульсно модулированный ток, причем ширина импульсов и пауз между ними может изменяться. Проще говоря, ШИМ — это соотношение времени включенного и выключенного состояния светодиода (рис. 3) при неизменной амплитуде сигнала. Другими словами, ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ, что как раз и иллюстрирует рис. 3.Если переключение происходит на частоте выше 70 Гц, то «мерцание» на таких высоких частотах незаметно для зрительного восприятия человеком. ШИМ возможна благодаря безинерционности светодиодов, именно это качество делает их незаменимыми, когда необходимо высокое быстродействие. Внешняя регулировка яркости возможна за счёт использования того же внешнего ШИМ (в этом случае все светильники будут светить с одинаковой яркостью), либо за счёт использования протокола DMX-512, позволяющего обращаться к каждому светильнику в отдельности и корректировать параметры его работы (в том числе, и яркость).

IV. DMX-управление

Рисунок 3. Диаграмма включения по методу ШИМ

DMX-512 — стандарт, описывающий метод цифровой передачи данных между контроллерами и световым, а также дополнительным оборудованием. Он описывает электрические характеристики, формат данных, протокол обмена данными и способ подключения. Этот стандарт предназначен для организации взаимодействия между контроллерами и оконечными устройствами, произведенными разными производителями. DMX-512 — сокращение от английского DigitalMultiplex с 512 индивидуальными информационными каналами.

DMX-512 создан на основе стандартного промышленного интерфейса EIA/TIA-485 (известного как RS-485). Для передачи данных используется кабель с двумя проводами в общем экране с трёх-контактным разъемом XLR. На самом дальнем от управляющего устройства конце линии обязательно ставится терминатор. Корректная работа сети DMX-512 (особенно при использовании длинных кабелей) возможна только в том случае, когда от передающего устройства к принимающему идет одна единственная линия. В линию может быть включено до 32 устройств, расположенных как угодно по всей её длине. Стандарт DMX-512 позволяет управлять по одной линии связи одновременно 512 каналами (один прибор может использовать иногда несколько десятков каналов). По одному каналу передается один параметр прибора, например: в какой цвет окрасить луч, какой рисунок выбрать и т. п. Каждый прибор имеет определенное количество управляемых дистанционно параметров и занимает соответствующее количество каналов в пространстве DMX-512. Протокол DMX-512 имеет ряд преимуществ и недостатков, но он получил большое распространение и сейчас де-факто является главным стандартом создания большинства светотехническим систем.Светильники подключаются к шине управления параллельно. Если одиниз светильников выходит из строя, то остальные будут продолжать работать.При этом неработающий светильник можно снять, заменить его и т. п. Исключение составляет короткое замыкание на линии управления или её обрыв. В этом случае светильники перестают управляться.

Рисунок 4. Диммер для светодиодов, версия 1

V. Диммер для светодиодов

Разработанное и изготовленное мной устройство является цифровым диммером, работающим по протоколу DMX-512, и на сегодняшний день имеет уже несколько версий. На рис. 4 показана фотография первой версии этого устройства. Основой цифрового диммерного блока является микроконтроллер, преобразующий по определенному алгоритму принимаемую цифровую информацию в сигналы управления светодиодных источников. Этим микроконтроллером являетсяPIC16F690 фирмы Microchip. Он имеет достаточное количество оперативной памяти, а также достаточную производительность для обработки получаемой информации и установления яркости12-ти источников света. Алгоритм чтения данных протокола DMX-512 и регулировка яркости 12-ти каналов осуществляется по написанной мной микропрограмме (микропрограмма (англ. firmware) — системное программное обеспечение, встроенное («зашитое»)в аппаратное устройство, и хранящееся в его энергонезависимой памяти).

Как уже говорилось ранее, данные DMX передаются по двум проводам, с использованием метода симметричной передачи данных. Это такой метод, при котором сигналы в этих проводах синфазные. Данный способ позволяет значительно увеличить помехозащищенность передаваемого сигнала. Современный протокол RS-485 основывается на этом же принципе передачи. Устройство позволяет использовать два питающего напряжения: одно служит для подключения силовой нагрузки, другое, маломощное, для питания микроконтроллера. Это сделано для случаев, когда питающее напряжение нестабильно и имеет пульсации, что может повлечь сбои контроллера и, как следствие, нестабильную работу устройства. Управление нагрузкой производится с помощью 12-ти мощных полевых транзисторов. Полевые транзисторы работают в ключевом режиме. В открытом состоянии токопроводящий канал имеет сопротивление порядка мОм, это означает, что при номинальной нагрузке тепловыделение на транзисторе будет составлять порядка нескольких мВт. Данное обстоятельство позволяет использовать транзисторы без теплоотводящей пластины. Управление нагрузкой с помощью биполярных транзисторов при низких напряжениях неэффективно.

Рисунок 5. Диммер для светодиодов, версия 2

Нагрузкой в данном случае являются светодиодные источники света. Установленные полевые транзисторы в номинальном режиме без радиатора и специальных мер для охлаждения могут работать при токе 7 А. Пиковое значение тока составляет 53 А. Очевидно, что при токе в 7 А на всех 12-ти каналах, суммарная мощность устройства получится 1000 Вт с входным током 84 А. Изготовление печатных плат для таких токов требуют определённых технологий. Вследствие этого было сделано ограничение номинального тока одного канала, который должен составлять не более 3 А. На данный момент реализована вторая версия данного диммера (рис. 5). Принципиальное отличие от первой версии заключается в возможности крепления новой платы на DIN-рейку (жаргонное название металлического профиля, применяемого в электротехнической промышленности, который используется для крепления различного модульного оборудования, такого как автоматические выключатели, устройства защитного отключения и т. п. в электрических щитах), а также в том, что новая плата практически полностью выполнена по SMD технологии (от англ. Surface Mount Technology — технология поверхностного монтажа печатных плат). Основным преимуществом данной технологии является то, что она может быть полностью механизирована. Печатная плата изготовлена с использованием маски, что обеспечивает коррозийную устойчивость печатных проводников на протяжении продолжительного периода времени эксплуатации, в том числе и в неблагоприятных условиях.

Корпус устройства зависит от условий, в которых оно будет применяться. Это может быть как бес корпусная система, если устройство применяется в подвесных потолках, так и абсолютно герметичная система, если устройство находится на улице и должно стабильно, безотказно и безопасно функционировать при любых погодных условиях.

Устройство имеет демо-режим для проверки работоспособности всех подключенных к данному диммеру светильников, предусмотренный для того случая, если провести линию DMX еще не представляется возможным. Данный режим по очереди включает с первого по двенадцатый канал (источник света). Технические характеристики устройства:

·     номинальное напряжение питания: 12/24 В (постоянный ток);

·     номинальный ток на канал: 3 А (12 В постоянного тока);

·     максимальный ток на канал: 7 A (12 В постоянного тока);

·     количество каналов: 12;

·     интерфейс: DMX-512;

·     интерфейсный кабель: витая пара;

·     максимальное напряжение питания: 33 В;

·     пиковое значение тока на канал: 35 A;

·     диапазон рабочих температур: от -20 до +65°С;

·     возможность подключения следующих источников света:

1.  светодиодные источники,

2.  галогенные лампы,

3.  люминесцентные лампы (с соответствующим балластом).

Как уже было сказано, в разработанной мной конструкции диммера реализовано 12 каналов [4]. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, потому что он позволяет подключить к себе 4 RGB ленты, во-вторых, количество лент чётное и можно выполнить условие симметричности в декорируемом объекте.

Рисунок 6. Пользовательское окно приложения

Для управления диммерами для светодиодов было изготовлено устройство для связи их с компьютером по стандарту USB 2.0 [8]. Это позволяет использовать изготовленное мной устройство как с настольными, так и с портативными компьютерами. Данное устройство преобразует протокол компьютера USB в протокол управления световыми приборами (DMX).Написанное программное обеспечение на момент написания данной статьи (пользовательский интерфейс показан на рис. 6) позволяет создавать18 «сцен» (сцена — свето-динамическия композиция), с возможностью плавных переходов между ними. Световая композиция каждой сцены детально настраивается с помощью 512 регуляторов, каждый для своего источника света. Все сцены затем можно объединить в один сценарий, с заданием всех необходимых временных интервалов. Для работы со светом в режиме реального времени предусмотрены программируемые кнопки. Программное обеспечение (управляющее приложение) было разработано мной в среде разработки Borland Delphi. Микропрограмма для контроллера, принимающего данные от ПК и отправляющего их по DMX написана в среде разработки Mikro C. Микропрограмма для микроконтроллераPIC16F690, установленного на плате диммера, написана в MPLAB IDE.

VI. Применение светодиодного освещения в Национальном парке «Беловежская Пуща»

По утверждению республиканских средств массовой информации Национальный парк «Беловежская пуща» стал самым популярным туристическим объектом в Беларуси в 2009 г. За год пущу посетили более 235 тысяч туристов [3].

В этом же году было начато оборудование нового здания музея. Большое количество экспонатов, экскурсии на разных языках, современное световое, звуковое и мультимедийное оформление должны, по мнению работников парка, увеличить поток посетителей «Беловежской Пущи».

Как уже было отмечено ранее, светодиоды используются в первую очередь для решения дизайнерских задач, архитектурной и ландшафтной подсветки. Благодаря таким своим качествам, как наличие полного диапазона цветов, динамическое управление цветом, длительный срок службы, низкое энергопотребление и пожаробезопасность, применение светодиодных источников в музее не имеет альтернативы.

Во-первых, это одно из тех мест, в которых возможность технического облуживания ограничена.

Во-вторых, светодиодные источники имеют долгий срок службы [7]. После анализа характеристик и условий работы светодиодных источников, мной была составлена таблица 1, в которой приведён срок службы светодиодов в зависимости от суточной продолжительности работы (общий срок службы был принят равным 50000 ч).

Таблица 1.

Зависимость срока службы светодиода от продолжительности свечения в сутки

Это говорит о том, что замена светодиодных светильников потребуется не ранее, чем через 10 лет.

Очевидно, что для освещения музея, экспонатов, реализации замыслов художников и дизайнеров требовалось огромное количество светодиодных источников и, соответственно, сложная система управления яркостью и режимами их работы. Разработанное мною устройство удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Проект освещения экспонатов экспозиции музея был разработан профессиональными художниками и предъявлял высокие требования к методам реализации технических задач как локальной подсветки, так и общего освещения. При создании системы освещения, во исполнение художественного проекта, необходимо было решить целый ряд инженерно-технических задач (рис. 7).

Рисунок 7. Обсуждение наиболее важных аспектов освещения с главным художником

Основной проблемой, требующей решения, являлось создание возможности простого и динамичного управления системой освещения, а также его максимальной пожаробезопасности.

Такому требованию удовлетворяют только светодиодные светильники с напряжением питания 12 В. Для получения стабилизированного напряжения были  использованы импульсные блоки питания (рис. 8а), мощностью 150 Вт.

Каждый зал имеет около 8 диорам (диорама — небольшая часть зала, в которой представлены экспонаты одной тематики). Они включают в себя как основные элементы, так и «побочные», которые создают эффект загадочности, таинственности экспозиции. Эти элементы по задумке художника должны были быть видны не со всех сторон диорамы, а лишь когда их находишь. Игра цвета, фона, подсвечивание отдельных элементов экспонатов должны создавать глубокое эмоциональное впечатление.

На каждой музейной диораме необходимо было произвести монтаж 15—20 светодиодных источников света (рис. 10). Применялись 2 типа источников: точечные (рис. 9б) и линейные (рис. 9а). Диорама делится на две части: подпотолочная и напольная, где и были вмонтированы диммеры. Это позволило избежать применения большого количества проводов между частями диорамы. Монтаж блоков питания производился, исходя из равномерного  распределения нагрузок.

Рисунок 8. Примененные: а — блок питания, б — 12-ти канальный диммер

По предварительным расчётам, для монтажа первых двух залов необходимо было изготовить 40 диммеров. Для этого была разработана печатная плата устройства, составлен перечень необходимых элементов. Платы были изготовлены производственным способом с нанесением масок и химических составов, для улучшения качества печатных плат. Монтаж радиокомпонентов производился вручную.

Рисунок 9. Источники света: а — линейные, б — точечные

Управляет световым шоу в залах DMX-пульт с энергонезависимой памятью и mp3-плеер с DMX-выходом. Применение сконструированных и изготовленных диммеров позволило максимально реализовать световые сценарии дизайнеров.

Рисунок 10. Процесс монтажа источников света и диммеров

VI. Заключение

Как уже отмечалось ранее, светодиодное освещение имеет значительное преимущество в сравнении с традиционными источниками искусственного освещения. Механическая прочность, экологичность, энерго-эффективность — это только небольшая часть из достоинств светодиодов, но их достаточно для выявления большого будущего для светодиодного освещения во многих сферах жизни человека. На основании столь высокой перспективности такого типа освещения, мной было разработано устройство для регулирования яркости источников света и система управления, на базе современного ПК. Данное устройство имеет высокую практическую значимость, подтверждением того является изготовление небольшой партии таких устройств и их успешное применение в музее природы Национального парка «Беловежская пуща» и диско-клубе «СИТИ» г. Брест.

Список литературы:

1.Настоящее и будущее светодиодов // Полупроводниковая светотехника. URL: http://www.intiled.ru/publications/statya_ppsvt_febr2011.html (дата обращения: 20.03.2011).

2.Никифоров С. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высокого качества (часть 2) // SCREENS. — 2005. — № 10. URL: http://www.screens.ru/ru/2005/10.html (дата обращения: 18.11.2009).

3.Пастушенко Т. Беловежская пуща стала самым популярным туристическим объектом в Беларуси в 2009 году // TUT. BY / Новости : ежедн. интернет-изд 2010. 14 янв. URL:http://news.tut.by/summer/157821.html (дата обращения: 15.01.2010).

4.Полищук С.И. Диммер для светодиодов и система освещения на его основе / С.И. Полищук// Электронная библиотека БГУИР. URL: http://www.bsuir.by/m/12_100229_1_68052.pdf (дата обращения: 31.10.2011).

5.Полищук С.И. Диммер для светодиодов и система освещения на его основе // Моделирование, компьютерное проектирование и технология производства электронных средств: материалы 47-ой научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов, Минск 25—29 апреля 2011 г./ редкол.: М.П. Батура [и др.]. Минск: БГУИР, 2011. С. 17. 

6.Полищук С.И. Диммер и система освещения на светодиодах // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ 2012»: Материалы 8-й Международной молодежной научно-технич. конф., Севастополь, Украина, 23—27 апреля 2012 г., Севастополь: изд-во СевНТУ, 2012. С. 175.

7.Полищук С.И. Расчет надежности системы управления яркостью светодиодного освещения // Информационные технологии и управление: материалы 48-й СНТК БГУИР, Минск 7—11 мая 2012 г./ редкол.: Л.Ю. Шилин [и др.]. Минск: БГУИР, 2012. С. 54.

8.Полищук С.И. Система управления освещением с USB интерфейсом // Информационные технологии и управление: материалы 47-й научной конференции аспирантов, магистрантов и студентов, Минск 25—29 апреля 2011 г./ редкол.: Л.Ю. Шилин [и др.]. Минск: БГУИР, 2011. С. 21.