Nguồn sáng LED là sự lựa chọn hàng đầu cho việc chiếu sáng các công trình kiến trúc và không gian đô thị với những ưu điểm nổi trội: tính thẩm mỹ cao, dễ dàng xây dựng nhiều kịch bản chiếu sáng linh hoạt, sống động, tuổi thọ cao, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng…

Tuy nhiên, do LED là nguồn sáng điểm, hệ thống chiếu sáng LED là sự tích hợp của rất nhiều linh kiện: nguồn sáng, các linh kiện điện tử tin học, làm việc trong môi trường ngoài trời, do đó việc nâng cao độ tin cậy của toàn bộ hệ thống đòi hỏi sự phối hợp nghiên cứu của các chuyên gia về kỹ thuật chiếu sáng, điện tử và điều khiển. Bài viết sau đây điểm qua những thách thức mà công nghệ điều khiển LED phải khắc phục để xây dựng hệ thống chiếu sáng công trình kiến trúc và không gian đô thị tin cậy và hiệu quả.

1. Các bộ đèn LED chiếu sáng công trình kiến trúc
Các LED dùng cho chiếu sáng các công trình kiến trúc và không gian đô thị rất đa dạng: Theo hình dáng chia thành:
– Dải, băng sáng (hình 1a).
– Ma trận LED 2D (hình 1b).
– Khối LED 3D (hình 1c).

Hình 1a- Băng sáng	Hình 1b- Ma trận LED	Hình 1c- Khối LED 3D

Theo công suất nguồn sáng có thể chia làm 2 loại:
– LED công suất nhỏ dưới 0,25W, ánh sáng trắng hoặc màu.
– LED siêu sáng, phổ biến loại ánh sáng trắng, công suất 1-3W. Loại này đòi hỏi phải có giải pháp tản nhiệt tốt bằng cánh tản nhiệt, bằng vật liệu chuyển pha, bằng hiệu ứng Peltier…
Kết hợp với hệ thống quang học, các chip LED có thể tạo nên bộ đèn pha với góc mở chùm tia và quang thông khác nhau.
2. Cung cấp và điều khiển LED
LED là một điôt bán dẫn quang, cần được cung cấp bằng điện áp một chiều, điện áp phân cực thuận phổ biến Vd = 2-3V, nhưng rất dễ bị phá hủy khi điện áp ngược vượt quá điện áp đánh thủng. Hình 3 là đặc tính Vôn-Ampe của một LED. Lưu ý vì mỗi chip LED có công suất và điện áp thuận thấp, nên trong thực tế các bộ đèn LED thường gồm nhiều chip mắc nối tiếp và song song, tạo nên dạng ma trận m hàng, n cột. Hình 4 là sơ đồ nối dây của ma trận LED 8×8.

Hình 3 Đặc tính Vôn – Ampe của LED	Hình 4 Ma trận LED 8×8

Trong một ma trận LED tất cả các cực dương của một hàng được nối với nhau, các cực âm của một cột được nối chung. Để cho một LED tại hàng m, cột n phát sáng cần cung cấp vào cực dương của nó điện áp thuận 5V và cực âm nối với masse.
3. Bộ vi điều khiển, công cụ hiệu quả tạo kịch bản chiếu sáng mỹ quan và sống động
Bộ vi điều khiển (MicroController Unit viết tắt MCU) là bộ vi xử lý đặc biệt, tất cả được đóng gói trong 1 chip, có thể lập trình, đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng, tạo nên hệ thống điều khiển thông minh, do đó cũng là sự lựa chọn hợp lý cho điều khiển các nguồn sáng LED. Các MCU thông dụng như họ 8051 của Intel, 68HC11 của Motorola, TI MSP của Texas Instruments…là các bộ vi điều khiển chiếm thị phần quan trọng trên thế giới. Cần chú ý lựa chọn số bit của MCU thích hợp cho mục đích điều khiển chiếu sáng. Họ vi điều khiển 8 bit có 28 = 256 trạng thái thường dùng cho bảng quảng cáo LED, họ 16 bit có 216 = 65536 trạng thái, họ 32 bit có hàng triệu trạng thái, thích hợp với các kịch bản chiếu sáng phức tạp. Khi được cung cấp một điện áp thích hợp, mỗi chip LED sẽ tạo nên một điểm sáng (pixel) với màu tùy chọn. Bộ vi điều khiển đóng vai trò tạo các pixel và điều khiển các điểm ảnh theo một kịch bản cho trước nhờ chương trình. Trên hình 5a địa chỉ của mỗi điểm ảnh này được xác định, đồng thời nhờ mạch giải mã hàng và giải mã cột theo dữ liệu đưa ra từ bộ vi điều khiển. Như vậy tại mỗi thời điểm chỉ có trạng thái của một điểm ảnh được xác định. Tuy nhiên khi xác định địa chỉ và trạng thái của điểm ảnh tiếp theo thì các điểm ảnh còn lại sẽ chuyển về trạng thái tắt, vì thế để hiển thị được toàn bộ hình ảnh của ma trận LED, ta có thể quét nhiều lần với tốc độ cao. Do hiện tượng lưu ảnh trên võng mạc, mắt người chỉ nhận biết tối đa 24 hình/s, do đó nếu tốc độ quét cao thì sẽ không nhận ra được sự thay đổi của một LED mà sẽ thấy được toàn bộ hình ảnh cần hiển thị. Hình 5b là bảng màu 8-bits LED RGB: trong đó 3-bits Red, 3-bits Green, 2-bits Blue.

Hình 5a Điều khiển ma trận LED	Hình 5b Mã màu RGB

4. Điều khiển các thiết bị chiếu sáng qua mạng
Khối hiển thị (đèn pha LED, ma trận, băng sáng LED…) có thể được kết nối và điều khiển trực tiếp theo sơ đồ hình 6. Nhờ phần mềm điều khiển có thể kết nối với mạch logic ngoài đóng vai trò bộ giải mã và bộ đệm. Sơ đồ này đơn giản, giá thành hạ nhưng chỉ thích hợp với cự ly tương đối gần và số lượng điểm sáng ít.

Hình 5 Kết nối trực tiếp thiết bị chiếu sáng LED và bộ vi xử lý

Khi cự ly điều khiển tăng lên, đối tượng điều khiển nhiều và kịch bản chiếu sáng phức tạp thì các tín hiệu điều khiển có thể được truyền theo đường dây nguồn cung cấp hoặc thông qua mạng nội bộ bằng cáp quang.
Ngày nay cơ sở hạ tầng viễn thông bằng công nghệ gói dịch vụ vô tuyến định hướng dữ liệu di động thế hệ thứ ba (GPRS/3G – Global Packet Radio Service) và Internet đã phủ sóng rộng rãi cho phép thực hiện điều khiển đối tượng từ xa qua mạng. Một hệ thống điều khiển giám sát từ xa các thiết bị chiếu sáng (hình 6) gồm các khối:
1. Khối đèn chiếu sáng là đối tượng điều khiển.
2. Vi điều khiển thực hiện vai trò bộ điều khiển.
3. Bộ cảm biến có nhiệm vụ theo dõi, giám sát trạng thái của đối tượng điều khiển.
4. Bộ giao tiếp đóng vai trò kết nối điều khiển ngoại vi (điện thoại di động, PC) qua mạng viễn thông với vi điều khiển. Đó là mã SIM của người thuê bao điện thoại di động hoặc địa chỉ đăng ký Internet.
Vấn đề chống nhiễu cho hệ thống, bảo mật và dự phòng cần được quan tâm. Ngoài ra để thích ứng với môi trường làm việc ngoài trời các linh kiện của hệ thống phải có chỉ số bảo vệ IP cao.

Hình 6 Điều khiển thiết bị chiếu sáng qua mạng

Để minh họa hệ thống chiếu sáng công trình đô thị hình 7 trình bày hình ảnh chiếu sáng cầu Rồng, Đà Nẵng do công ty Philips Việt Nam thực hiện. Toàn bộ thiết bị gồm 1000 bộ đèn LED với 5 chủng loại. Chủng loại đèn được lựa chọn đảm bảo mỹ quan cao nhất, công nghệ điều khiển tín hiệu Powercore, sử dụng mạng Ethernet/KiNET cho phép thực hiện nhiều kịch bản chiếu sáng sống động.

Hình 7 Chiếu sáng cầu Rồng – Đà Nẵng

Hình 8 và 9 trình bày chiếu sáng sân vận động Olimpc mùa đông Sochi 2014 CHLB Nga sử dụng 38.000 bộ đèn LED.q

Hình 8, 9 Chiếu sáng sân vận động Olimpic mùa đông Sochi.