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为小木屋设计安装12V 直流LED照明系统
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我家在北加州的森林里有一处小木屋。由于1922年建造的那个小木屋年久失修，于是家人于20世纪50年代后期重新建了一个(图1)。目前，照明由最初的丙烷灯和交流驱动的日光灯一起提供。交流电由一个年代已久的3kVA发电机提供。发电机运转良好，交流灯也能用，但仍有一些问题。
● 所有燃料必须用5加仑桶子拉到小木屋，而距离最近的燃料也有1小时远。
● 发电机太吵。
● 为了节省燃料， 每天晚上必须关闭发电机，然后在需要电源时重新开启。
为了节省发电机的燃料，我们总是用丙烷作为做早餐的燃料。
小木屋当前的电池采用电源逆变器和大型汽车电池设计，并且工作得相当好。但是，由于天气原因，不能把电池留在小木屋，并且电池必须足够大才能应对交流照明的要求和逆变器的低效率。最后，这些大型电池充电需要很长时间，或者当家人在秋天到小木屋打猎时，由于此时太阳能电池板的效率不高，需要较大的太阳能电池板。
图1：位于加州北部的小木屋。
随着LED照明的革命和DC-DC转换器的效率变高，我们决定重新审视小木屋的电池供电照明系统。可以确定，小木屋需要11盏灯(相当于一个60W的白炽灯)和一些夜里去洗手间用的夜灯。整个小木屋的设计功率预算为100W，将需要差不多60lm/W的灯。100lm/W是LED光源可实现的数字，但电源效率低和灯具设计将会降低总的光输出。
设计开始首先来看一下CREE公司的850lm、10W LMH-2灯具。我一直使用CREE 的这款灯具作为MCU控制的DC-DC转换器的光源，因此很熟悉它的规范。该灯具工作在20V时需要大约500mA的电流，并且能根据温度和寿命的影响校正色温。我的工作将是为这些灯提供电源并将它们安装在小木屋内。电源采用9～24VDC输入SEPIC拓扑，由Microchip的PIC16F1788 8位MCU驱动。PIC16F1788具有一个运放、可编程开关模式控制器(PSMC)、DAC、ADC和产生数字控制、模拟驱动电源所需的比较器。该MCU具有大量的代码空间，可用于保存RF控制灯所需的2.4GHz 802.15.4无线控制软件，但此功能未在小木屋使用。使用规定的输出流明和精确的输入功率时，每个LMH-2和SEPIC灯具可产生70lm/W的光效。
照明系统的框图
图2：Microchip的PIC16F1788 28引脚8位高级模拟闪存MCU。
我们有10 盏使用Microchip 的SEPIC控制器的LMH-2灯、120’的导管和大量电线。因此，我们决定按表1所示分配电灯。
表1：照明规划。
这样安排可在厨房和餐厅这两个最常用的位置提供最佳照明，并且其他位置也有很好的照明。配电箱有6个可用熔丝。我们决定将电线拉到阁楼，接到所有6个熔丝上，并留出一些电线以备将来扩充。布线规划是在各支路放置不超过5个主灯，我们将按照表2所示将电灯分组来完成。
表2：布线规划。
第1天 首先把配电箱和电源接入盒挂起来。电源接入盒耐风雨，具有黄铜接头，可用于连接12V电源。黄铜接头足够大，可连接汽车跨接电缆。电源盒安装在小木屋外面靠近车辆停放的位置，方便使用跨接电缆与小木屋跨接。配电箱位于小木屋内，包含一个熔丝盒、电表和电源总开关。熔丝盒支持6个熔丝。电表最初设计用于RC建模，不过似乎更适合监控整个电力系统。
安装好电源盒后，我们给6根电线涂上润滑油，将它们挤入从阁楼的接线盒到电源盒的短导管中。我们在这些导线末端连接圆形端子并接入两个盒子。现在阁楼已布线完毕。
接下来要做的事情是在休息室的天花板上钻孔以装灯。我们钻好孔并放好导管。顺着墙布置了一段表面安装泛达导管，用于灯开关，并且是到夜灯调光器的常用线路。夜灯由一长条12V白LED灯带构建。这些灯带每5米为24W，差不多每3英寸由三个LED和一个电阻组成。可以按3个LED电路的倍数截短灯带。
从休息室，我们向东走向厨房，沿途布置灯开关，试运行了休息室、厨房和餐厅的所有灯。借用一些功能灯，我们通过对餐厅的两盏灯供电，验证电池功率为23W。
第2天 由于对阁楼的情况缺乏了解，之前我们只是粗略规划了导管。三通接头用得很快，并且门廊灯需要一个可防风雨的开关。购买了其余的零部件后，我们布置了主卧室、主卫生间和杂物室。
图3所示为餐厅。我们将原先的日光灯留在原地，因为它们已与发电机相连一起使用。如果你可以将汽油运到森林里并且可以忍受发电机的噪声，那就可以通过80W双管灯具使光线稍亮一点。然而，两个20W的LMH-2就可以提供差不多的光亮，并且颜色更好。
图3：餐厅。
图4所示为杂物间，安装有一个23 W 日光灯和一个10 W LMH - 2 。LMH-2产生的光稍微暗一点，并且非常不幸的是，由于我没有漫射光线的灯罩，导致光线集中向下。灯具为弯曲、穿孔、上了漆的0.032”铝制品，用来固定LMH-2灯具并提供小型散热区域。该系统的热管理非常简单，原因是光源发的热只有5W，而电源大约为2W；另外，晚间温度在夏天约为20℃，在冬天为10℃。
图4：杂物间。
第3天 我们检查了电表，了解到夜灯以及准备早餐、拍照和对讲总共用了56Wh的电能。即使是冬天，我的30W太阳能盖板大概只要3到4个小时就能提供这样的电能。第三天的工作包括在厨房里添加最后一盏灯和封上导管。
结论
经过一年的规划和三天的紧张工作，我们现在在美国的一个偏远地区拥有了一个可离网运行的直流照明系统。这个系统可为未来几代家人提供无故障的安静照明。该小木屋见证了从丙烷灯、交流白炽灯、交流日光灯到现在的直流LED灯的照明发展历程。每代技术都减少了维护，改进了性能，并增加了家庭度假的乐趣。
● 所有燃料必须用5加仑桶子拉到小木屋，而距离最近的燃料也有1小时远。
● 发电机太吵。
● 为了节省燃料， 每天晚上必须关闭发电机，然后在需要电源时重新开启。
为了节省发电机的燃料，我们总是用丙烷作为做早餐的燃料。
小木屋当前的电池采用电源逆变器和大型汽车电池设计，并且工作得相当好。但是，由于天气原因，不能把电池留在小木屋，并且电池必须足够大才能应对交流照明的要求和逆变器的低效率。最后，这些大型电池充电需要很长时间，或者当家人在秋天到小木屋打猎时，由于此时太阳能电池板的效率不高，需要较大的太阳能电池板。
图1：位于加州北部的小木屋。
随着LED照明的革命和DC-DC转换器的效率变高，我们决定重新审视小木屋的电池供电照明系统。可以确定，小木屋需要11盏灯(相当于一个60W的白炽灯)和一些夜里去洗手间用的夜灯。整个小木屋的设计功率预算为100W，将需要差不多60lm/W的灯。100lm/W是LED光源可实现的数字，但电源效率低和灯具设计将会降低总的光输出。
设计开始首先来看一下CREE公司的850lm、10W LMH-2灯具。我一直使用CREE 的这款灯具作为MCU控制的DC-DC转换器的光源，因此很熟悉它的规范。该灯具工作在20V时需要大约500mA的电流，并且能根据温度和寿命的影响校正色温。我的工作将是为这些灯提供电源并将它们安装在小木屋内。电源采用9～24VDC输入SEPIC拓扑，由Microchip的PIC16F1788 8位MCU驱动。PIC16F1788具有一个运放、可编程开关模式控制器(PSMC)、DAC、ADC和产生数字控制、模拟驱动电源所需的比较器。该MCU具有大量的代码空间，可用于保存RF控制灯所需的2.4GHz 802.15.4无线控制软件，但此功能未在小木屋使用。使用规定的输出流明和精确的输入功率时，每个LMH-2和SEPIC灯具可产生70lm/W的光效。
照明系统的框图
图2：Microchip的PIC16F1788 28引脚8位高级模拟闪存MCU。
我们有10 盏使用Microchip 的SEPIC控制器的LMH-2灯、120’的导管和大量电线。因此，我们决定按表1所示分配电灯。
表1：照明规划。
这样安排可在厨房和餐厅这两个最常用的位置提供最佳照明，并且其他位置也有很好的照明。配电箱有6个可用熔丝。我们决定将电线拉到阁楼，接到所有6个熔丝上，并留出一些电线以备将来扩充。布线规划是在各支路放置不超过5个主灯，我们将按照表2所示将电灯分组来完成。
表2：布线规划。
第1天 首先把配电箱和电源接入盒挂起来。电源接入盒耐风雨，具有黄铜接头，可用于连接12V电源。黄铜接头足够大，可连接汽车跨接电缆。电源盒安装在小木屋外面靠近车辆停放的位置，方便使用跨接电缆与小木屋跨接。配电箱位于小木屋内，包含一个熔丝盒、电表和电源总开关。熔丝盒支持6个熔丝。电表最初设计用于RC建模，不过似乎更适合监控整个电力系统。
安装好电源盒后，我们给6根电线涂上润滑油，将它们挤入从阁楼的接线盒到电源盒的短导管中。我们在这些导线末端连接圆形端子并接入两个盒子。现在阁楼已布线完毕。
接下来要做的事情是在休息室的天花板上钻孔以装灯。我们钻好孔并放好导管。顺着墙布置了一段表面安装泛达导管，用于灯开关，并且是到夜灯调光器的常用线路。夜灯由一长条12V白LED灯带构建。这些灯带每5米为24W，差不多每3英寸由三个LED和一个电阻组成。可以按3个LED电路的倍数截短灯带。
从休息室，我们向东走向厨房，沿途布置灯开关，试运行了休息室、厨房和餐厅的所有灯。借用一些功能灯，我们通过对餐厅的两盏灯供电，验证电池功率为23W。
第2天 由于对阁楼的情况缺乏了解，之前我们只是粗略规划了导管。三通接头用得很快，并且门廊灯需要一个可防风雨的开关。购买了其余的零部件后，我们布置了主卧室、主卫生间和杂物室。
图3所示为餐厅。我们将原先的日光灯留在原地，因为它们已与发电机相连一起使用。如果你可以将汽油运到森林里并且可以忍受发电机的噪声，那就可以通过80W双管灯具使光线稍亮一点。然而，两个20W的LMH-2就可以提供差不多的光亮，并且颜色更好。
图3：餐厅。
图4所示为杂物间，安装有一个23 W 日光灯和一个10 W LMH - 2 。LMH-2产生的光稍微暗一点，并且非常不幸的是，由于我没有漫射光线的灯罩，导致光线集中向下。灯具为弯曲、穿孔、上了漆的0.032”铝制品，用来固定LMH-2灯具并提供小型散热区域。该系统的热管理非常简单，原因是光源发的热只有5W，而电源大约为2W；另外，晚间温度在夏天约为20℃，在冬天为10℃。
图4：杂物间。
第3天 我们检查了电表，了解到夜灯以及准备早餐、拍照和对讲总共用了56Wh的电能。即使是冬天，我的30W太阳能盖板大概只要3到4个小时就能提供这样的电能。第三天的工作包括在厨房里添加最后一盏灯和封上导管。
结论
经过一年的规划和三天的紧张工作，我们现在在美国的一个偏远地区拥有了一个可离网运行的直流照明系统。这个系统可为未来几代家人提供无故障的安静照明。该小木屋见证了从丙烷灯、交流白炽灯、交流日光灯到现在的直流LED灯的照明发展历程。每代技术都减少了维护，改进了性能，并增加了家庭度假的乐趣。
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