優力普:POE供電與市電供電之LED照明比較
安防網訊 本文介紹如何利用現代化以太網供電PoE技術為LED提供直流電源PoE技術與傳統的交流照明電源相比系統效率相當然而如果使用局域網LAN將照明燈聯網從而實現附加利益PoE技術則完勝并且LED的維護成本較低
LED照明現在是主流技術正在逐漸取代商業工業以及住宅領域的白熾燈鹵素燈和小型熒光燈CFLLED的好處已廣為人知其中包括使用壽命更長能源效率更高以及燈具尺寸非常小舉例來說LED照明燈的使用壽命可達50,000個小時而白熾燈壽命一般為1,000至2,000個小時CFL的壽命為5,000至10,000個小時由于使用壽命較長LED降低了由于更換難以觸及的照明燈而引起的操作/安全風險以及人力成本LED的使用成本也低得多10WLED照明燈的亮度大約與60W白熾燈泡相當盡管使用LED照明燈的好處已廣為人知但為其進行高效率供電的方式仍存在爭議本文介紹如何利用現代化以太網供電PoE技術為LED提供直流電源PoE技術與傳統的交流照明電源相比系統效率相當然而如果使用局域網LAN將照明燈聯網從而實現附加利益PoE技術則完勝并且LED的維護成本較低采用PoE技術的直流電源
LED實質上是低壓直流器件為確保兼容傳統的交流電源大多數用于照明的LED驅動器利用交流/直流轉換器將交流電源轉換為較低的直流電壓這一轉換過程降低了系統效率所以設計者提出了基于直流的電源系統有幾項研究已經對普通交流系統與直流供電系統進行過比較卡內基梅隆大學CarnegieMellonUniversity大學的一項研究2發現與使用交流電相比使用直流電每年可節省$2,000如果LED由并網的太陽能PV電源供電與使用交流電相比使用直流電每年可節省$5,000現在根據最早頒布于2003年并在2009年更新的IEEE802.3標準您可利用PoE技術為LED照明燈提供直流電源該標準規定利用單根標準網線如Cat5直接為所連設備供電并進行數據通信通過交換機/集線器上的供電設備PSE提供電源被供電的聯網設備本例中為LED照明燈稱為受電設備PD為考慮最差工作條件下的網絡電纜損耗PSE提供的電源高于PD的功率限值最初的PoE標準IEEE802.3af規定PSE電源使用Cat3或更高規格的電纜在44VDC至57VDC電壓范圍內提供最大15.4W功率在這種情況下PD被限制到13.0W電壓范圍為37VDC至57VDC隨后的IEEE802.3at標準將功率提高到30WPSE電壓范圍為50VDC至57VDC使用Cat5或更高規格的電纜此時PD被限制到最大25.5W電壓范圍為50VDC至57VDC預計將很快批準的IEEE802.3bt標準將進一步提高PoE功率其中PSE輸出端口的最小功率可達到90W表1
表1IEEE802.3功率容量按功率等級分類
通過PoE供電時每個LED照明燈具可以是標準的RJ-45連接器即插即用設備并具有自身可獨立尋址的IP地址不僅如此為LED燈具增加傳感器即可將其從單純的照明設備轉換為智能LED集中器采用這種配置每個智能LED集中器可收集關于環境光溫度濕度以及匿名居住信息并傳回控制器例如人員檢測可確保在有人進入房間時打開照明在房間無人時關閉照明圖1環境光傳感器也支持日光收集5以及調節LED照明在沒有日光時維持恒定的亮度
圖1:聯網的照明和傳感器集中器能夠為使用照明的區域提供新功能并在不需要時關閉照明
PoE非常適合于通過LAN供電連接和控制智能LED集中器按照這種方式LED照明系統就成為IT網絡的一部分通過任何聯網設備例如電話平板電腦PC其服務將不僅僅局限于用戶附近而是延伸至其它大廈服務那么用戶就能夠利用系統的接近檢測傳感器來尋找最近的空閑會議室甚至能夠為設施擁有者和管理者帶來更大好處使其能夠整體了解設施的能源使用情況通過實施測量監測和控制網絡的所有節點包括加熱和通風管理者能夠發現提高能源利用率和運營效率的機會有了這些信息之后管理者就能夠根據用戶的歷史行為數據調整溫度照明以及清潔計劃
另外一個好處是PoELED網絡能夠適應將來的發展LED照明燈具以及相關的智能傳感器集中器已經安裝到所需的位置并且電源和數據已經連接到大多數的有用位置所以現在只需較低的邊際成本和相對較低的人力即可增加新傳感器或通信模塊例如分布式短程無線接入點圖2
圖2:利用集成有傳感器的LED照明系統智能網絡集中器可提供有用的數據提高能源利用率和運營效率
這對我們意味著什么?顯而易見使用PoE可降低支持IP的設備的部署和安裝成本無論這些設備是傳感器還是LED照明燈由于數據和電源共用相同的電纜降低了布線成本由于安裝網線不需要有資質的電工所以也降低了安裝成本與110VAC或220VAC相比PoE直流電壓危險程度大大降低所以安裝過程也更加安全PoE網絡支持更好的總體網絡電源管理既能夠通過所連設備的電源實現離散控制又能夠在斷電期間僅使用網絡連接提供電源備份第47屆SuperBowl冠軍賽就是PoE技術附加值的一個例子當時斷電造成照明和電梯停工了35分鐘7期間體育場的WiFi?網絡未受影響因為網絡通過PoE供電具有電池備份
PoE照明系統的所有這些好處實際上又重新點燃了交流與直流供電的大討論有的人問怎么處理Cat5或更高規格電纜上引起的電阻損耗?有的人則說如果您去掉交流供電系統中目前要求的附加交流/直流轉換級這些損耗足夠低到能夠實現可觀的效率改善嗎?
為分析這場爭議我們分析了為10W和20WLED照明燈供電的三種情形其中兩種情況下根據最初的IEEE802.3af15.4WPSE和13.0WPD及隨后的IEEE802.3at30W和25.5W標準進行供電交流供電則采用230VAC標準市電
PoE場景電纜長度對效率的影響
圖3所示為典型PoE照明配置的方框圖CUIINCPSE-1000由230VAC市電供電該設備的功率為1000W典型效率為90%PSE的供電由40W的MAX5984PSE控制器控制PD使用70W的MAX5982控制器電纜為Cat623AWG電纜每股線的電阻為67歐姆每千米或0.067歐姆每米詳細的假設信息請參見圖3和表2
圖3:典型的PoE照明配置表明支持PoE功能的交換機/路由器如何控制多個照明設備
表2:配置組件
由于安裝效率受Cat6電纜長度的影響針對10W和20W照明燈我們分別考察了三種平均電纜長度25m50m以及最大允許長度100m表3所示為這些場景下的系統效率
表3:PoE供電照明場景下的系統效率計算
對于LED驅動器我們在計算中采用95%效率實際效率可能更高如圖5所示其中所示為MAX16832LED驅動器的效率曲線48V時可能實現的效率更高
圖4:MAX16832LED驅動器的效率曲線
現在再返回來看表2根據電纜長度的不同當然還有照明燈的功率系統效率在79.7%至83.9%范圍內變化對于較高功率的LED照明燈效率可能略有下降因此為了保證效率優勢最好保持每端口的功率稍低這也允許更精細的控制但由于20W1800lmLED照明燈大概相當于200W的鹵素燈所以這個條件是可以接受的
交流場景電源轉換對效率的影響
在測試的交流場景中直接為LED燈具提供交流電源要求進行交流/直流轉換如圖5所示
圖5:交流供電的LED燈具會發生極小的電纜功率損耗但由于交流/直流轉換的原因效率損耗高于PoE場景
交流場景中電纜造成的功率損耗極小大部分效率損耗是由于每個燈具要求的交流/直流轉換造成的MAX16841為離線式LED驅動器包括恒定頻率控制技術通過工作在導通模式確保在較低和較高交流電壓下均保持最高轉換效率該模式最大程度降低總體導通和開關損耗請參見MAX16841EVKIT數據資料其中8個串聯LED的效率在調光時為82.9%無調光時為84.8%輸出功率為10W
交流與PoE的終極比較
以可調光LED燈具為例交流系統效率82.9%僅略高于最大電纜長度為100m的10WPoELED燈具效率為82.3%如果假設電纜為25mCat5電纜那么交流效率實際上僅差了1%82.9%相對于PoELED照明燈83.9%的效率隨著每個燈具功率的提高PoE系統效率下降使得效率低于交流系統
最后PoE系統和交流系統的效率比較將取決于特定應用的照明要求如果個體輸出功率保持較低以及Cat5或Cat6電纜的長度較短PoE電源效率將始終優于交流系統所以與交流電源相比照明要求越精細PoE供電LED的效率越高
還有一點要注意我們的分析中以23AWGCat6電纜電阻為例如果使用22AWGCat6電纜PoE照明的效率甚至可進一步提高雖然該電纜目前不如23AWGCat6電纜常用但隨著PoE照明的發展應用會越來越廣泛
總結
我們之前的分析僅考慮了系統效率并未計入實際成本安裝照明燈所要求的資質/執照等成本將取決于當地的規范和規章所以為了真正比較交流和PoE供電照明之間的成本差異必須包括此類人工成本
除了成本和效率方面的考慮我們不能忽略PoE供電LED照明燈的適應性將傳感器無線通信模塊以及嵌入式處理器集成至智能集線器將智能LED燈/傳感器集線器連接至局域網LAN允許已安裝的LED集線器快速支持并充分利用物聯網IoT上涌現出的新技術無需更換昂貴的照明燈提供適應未來發展的技術
