Hvordan ta i bruk trådløse LED-belysningskontroller i smartbyer og industribygninger

Bruken av LED-belysningssystemer med trådløse styringer i smartby og industri 4.0-innstillinger vokser fordi det gir flere fordeler, inkludert lavere energikostnader (og en tilsvarende reduksjon i karbonutslipp), kontrollerbare lysnivåer og reduserte vedlikeholdskostnader fra den høyere påliteligheten og lengre levetiden til LED-armaturer. For å være mest mulig effektive, trenger disse LED-belysningssystemene en lysstyring med forskjellige driftsmoduser, sensor- og beskyttelsesfunksjoner, pluss høy virkningsgrad og et bredt driftsspenningsområde fra 90 til 300 volt vekselstrøm (V_AC), sammen med høy effektfaktor (PF) og lav total harmonisk forvrengning (THD). I tillegg er en mikrokontroller (MCU), datakonsentrator og trådløs sendermottaker nødvendig for å fullføre systemet. Å designe et trådløst LED-belysningskontrollsystem fra bunnen av er en tverrfaglig oppgave som innebærer et betydelig risikonivå og kan forsinke markedstiden.

I stedet kan designere bruke forhåndsutviklede tilkoblede LED-belysnings - og kontrollutviklingsplattformer. Disse plattformene er svært energibesparende, med høy PF, og har omfattende trådløse kontroller (av/på, dimming og andre moduser) og flere uavhengig kontrollerte LED-kanaler SOM gir maksimal designfleksibilitet. De inkluderer trådløse kommunikasjonsmoduler som støtter protokoller som Bluetooth low energy (ble), Zigbee og 6LoWPAN. I tillegg støttes de av utviklingsmiljøer som inkluderer tilpassbar firmware, Free RTO-er og ulike brukstilfeller.

Denne artikkelen begynner med å gjennomgå grunnleggende LED-drift og armaturkonstruksjon pluss målinger for å måle virkningsgraden til lysdioder og armaturer. Den diskuterer bruken av shunts for å maksimere armaturpålitelighet og ytelse i smartby- og Industri 4.0-utrustninger. Deretter presenterer den forhåndsutviklede tilkoblede LED-belysningen driv- og kontrollutviklingsplattformer, og relaterte komponenter, fra STMicroelectronics og onsemi, sammen med design- og distribusjonshensyn.

Smart LED-belysningsstyring begynner med å styre interaksjonen mellom lysdioder i hver slynge for å optimalisere armaturytelsen. Den inkluderer også smart strømkonvertering og utvides til trådløs styring av flere armaturer, inkludert både maskinvare og programvare, for å maksimere ytelsen til gatebelysning og industrielle belysningsnettverk.

Et typisk LED-ARMATUR inkluderer flere LED-er i serie i en eller flere strenger. Hver lysdiode krever en driftspenning på omtrent 3,5 V. En slynge inneholder vanligvis fra 10 til 30 lysdioder og fungerer fra en strømforsyning på 40 til 100 V, og trekker fra omtrent 0,35 til 1,0 ampere (A) strøm, avhengig av lysstyrken til de enkelte lysdiodene (figur 1).

Figur 1: To rekker med 16 lysdioder hver, for bruk i smarte lysarmaturer. (Bildekilde: onsemi)

Lysstyrken til lyskilder er kvantifisert i lumen (lm) som måler den tilsynelatende lysstyrken til det menneskelige øye og tar hensyn til øyets følsomhet for forskjellige bølgelengder av synlig lys. Effektiviteten som en lyskilde produserer lumen med, kalles effektivitet og måles i lumen per watt (lm/W). Lysdioder har høyere virkningsgrad enn andre vanlige belysningsteknologier. Men ikke alle lysdioder er like virkningsfulle, og noen har betydelig høyere virkningsgrad enn andre. Videre kan en gitt LED produsere mer lys hvis den drives med mer strøm.

Lysdioder er mer pålitelige enn andre belysningsteknologier, men de er ikke perfekte. Lysdioder kan svikte, spesielt hvis de kjøres hardt i et høyytelsesarmatur, som de som brukes i gatebelysning og industriell belysning. LED-feil kan være en kortslutning eller en åpen krets. Hvis en lysdiode i en slynge kortslutter, blir den mørk, men de gjenværende lysdiodene i slyngen fortsetter å fungere. Strømmen fortsetter å strømme gjennom den kortsluttede lysdioden, og varmer den til det punktet at den kan bli en åpen krets, noe som fører til at hele slyngen blir mørk.

Shuntkopling av lysdioder

LED-armaturdesignere utfordres til å levere mer lumen fra armaturer i mindre størrelse. Det krever ofte at lysdiodene fungerer ved høyere temperaturer i lengre perioder og kan føre til defekte lysdioder. Spesielt gatelysarmaturer forventes å ha en levetid på opptil 15 år. Forbikoblings-shunter (bypass-shunter) kan bidra til å forene de motstridende kravene til høyere driftstemperaturer og forlenget levetid. Når en LED svikter i åpen tilstand, i stedet for at slyngen blir mørk, omgår/forbikobler shunten lysdioden og holder slyngen i drift normalt med bare den defekte lysdioden som blir mørk (Figur 2).

Figur 2: Uten bypass-shunter resulterer en enkelt lysdiode-feil i tap av hele slyngen (venstre). Med forbikoblingsshunter (bypass-shunter) blir bare den defekte lysdioden mørk, og de resterende lysdiodene i slyngen fortsetter å fungere (høyre). (Bildekilde: onsemi)

Shunter er tilgjengelige som kan brukes til å omgå/forbikoble en eller to lysdioder, avhengig av behovene til armaturdesignet (figur 3). Omgåelse/forbikobling av hver lysdiode støtter et minimalt fall i lysstyrke hvis en lysdiode svikter, mens omgåelse av to lysdioder reduserer antallet shunter til det halve for mer kostnadsfølsomme løsninger. NUD4700SNT1G fra onsemi kan for eksempel brukes til å omgå/forbikoble individuelle lysdioder i en krets, og den tilbakestilles automatisk hvis lysdioden gjenopptar driften eller skiftes ut. LBP01-0810B fra STMicroelectronics kan omgå/forbikoble enten 1 eller 2 lysdioder, noe som øker designfleksibiliteten og reduserer antall deler. LBP01-0810B gir også overspenningsvern (overspenningsbeskyttelse) mot overspenninger definert i IEC 61000-4-2 og IEC 61000-4-5.

Figur 3: LED-shunter (inne i de stiplede boksene) er tilgjengelige som kan omgå/forbikoble 1 (venstre) eller 2 (høyre) lysdioder. (Bildekilde: onsemi)

Smart-gatebelysning

Designere av smarte gatelyssystemer kan henvende seg tilSTEVAL-LLL006V1 tavle fra STMicroelectronics for å evaluere alternativer for høyeffekts LED-belysning (Figur 4). Den integrerte lysdiode (LED)-belysningsstyringen HVLED001A inkluderer forskjellige driftsmoduser, sensor- og beskyttelsesmekanismer, og produserer en intelligent og virkningsfull strømomformer ved hjelp av STP21N90K5 MOSFET-er. Dette LED-driverkortet bruke den offline høyspenningsomformer-IC-en VIPER012LSTR for å gi en utgang på 60 til 110 V likestrøm (DC) med en konstantstrøm (varig strøm) på 0,7 A. For å møte behovene til smarte produkter for gatebelysning, har drivkretsen et inngangsområde på 90 til 300 V_AC, PF over 0,97 og THD under 15 %. Den innebygde sub-1 GigaHertz (GHz)-transceivermodulen SPSGRFC kan brukes til å motta på-, av- og dimmekommandoer og sende dem til den integrerte mikrokontrolleren STM32L071KZ. Den støtter fem nivåer av analog dimming.

Figur 4: utviklingskort for LED-belysnings STEVAL-LLL006V1 er en del av en plattform som inkluderer strømstyring og trådløs tilkobling. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Utviklingsverktøy

For å fremskynde utviklingsprosessen og fremheve funksjonaliteten til STEVAL-LLL006V1, er en datakonsentratorenhet (DCU) og Android-mobilapplikasjon tilgjengelig. DCU-en er et integrert evalueringsmiljø bygget på NUCLEO-F401RE-plattformen. Den innbefatter et X-NUCLEO-IDS01A4-kort for sub-1-GHz kommunikasjon med STEVAL-LLL006V1 og X-NUCLEO-IDB05A2-kort for Bluetooth-kommunikasjon med en mobil enhet. STMicroelectronics tilbyr også deres 6LoWPAN Smart Streetlight mobilapplikasjon som kan brukes til å danne et nettverk av smart gatebelysningsstyring og evaluere nettverksfunksjonalitet.

Industriell LED-belysning

Tilkoblede industrielle LED-belysningsløsninger kan lages prototyper ved hjelp av LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform fra onsi. Denne utviklingsplattformen har trådløs kontroll, valget mellom å bruke en frakoblet AC/DC-strømforsyning eller en valgfri strøm over Ethernet (PoE)-strømkilde, en LED-modul og en LED-drivermodul, pluss en BLE-tilkoblingsmodul, for å binde alt sammen. Tilgjengelige kontrollalternativer inkluderer bruk av onsemis RSL10 Sense and Control-mobilapp eller en webklient. Denne utviklingsplattformen inkluderer Free RTO-ER, en CMSIS-pakke med tilpassbar firmware, og flere brukstilfeller for å begynne å utforske bruken av tilkoblede industrielle LED-belysningsløsninger.

Det grunnleggende LIGHTING-1-GEVK-settet innbefatter en dobbel LED-driver, LED-kort med to LED-rekker/LED-kretser, en AC/DC-strømforsyning og en BLE-kommunikasjonsmodul (Figur 5). En PoE-strømmodul er tilgjengelig separat som kan levere opptil 90 W. Noen nøkkelspesifikasjoner for de ulike brettene i settet inkluderer:

• Dobbel LED-driver: inkluderer toFL7760 LED-drivere som leverer opptil 25 W hver med opptil 96 % virkningsgrad, 4000 trinns dimming ned til 0,6 %, telemetridata inkludert strøm- og spenningsmålinger for hver LED-driver, og en header for den pluggbare mikrokontroller (MCU)-modulen for å støtte trådløs tilkobling .
• LED-kort: to uavhengige kanaler med 16 lysdioder i hver kanal. Den ene kanalen har lysdioder klassifisert for 121 lm, og den andre kanalen har lysdioder klassifisert for 95 lm, for en total tilgjengelig lysstyrke på 7000 lm.
• AC/DC strømforsyning: inkluderer to FL7740-tilbakekoblingsstyringer med primær sideregulering med PFC, fungerer over et inngangsområde på 90 til 270 V_AC, produserer en effekt på 70 W ved 55 V for å drive LED-driverkortet, med en PF over 0,99 og effektivitet over 91 %.
• BLE-modul: Den tilkoblede lysplattformen bruker tre BLE-tjenester; belysningskontrolltjeneste som brukes av tilkoblede enheter til å eksternt lese og endre tilstanden til LED-ene, telemetritjeneste som brukes av tilkoblede enheter til å overvåke spenning og strøm i LED-driverne, og PoE-strømleveringstjenesten som gir informasjon om PoE-strømgrenser pålagt enheten av PoE-strøminjektoren.

Figur 5: Det grunnleggende utviklersettet inkluderer en dobbel LED-driver, dobbel LED-streng, AC/DC-strømforsyning og en BLE-tilkoblingsmodul. (Bildekilde: onsemi)

Utvidelseskort (ekspansjonskort)

To utvidelseskort (ekspansjonskort) er tilgjengelige for LIGHTING-1-GEVK-settet, BLE-SWITCH001-GEVB ENERGIHØSTING BLE-bryteren og et flersensorkort MULTI-SENSE-GEVB (figur 6). LED-lysstyrken kan styres med BLE-bryteren. Lysstyrken øker når bryteren trykkes og holdes nede. Lysintensiteten forblir konstant når bryteren slippes eller når maksimal lysstyrke er nådd. Lysstyrken reduseres ved å trykke på bryteren en gang til. Flersensorkortet støtter prototyping av systemer som inkluderer en omgivelseslyssensor, miljøsensorer og/eller en sensor for treghetsbevegelsese.

Figur 6: To utvidelseskort (ekspansjonskort) er tilgjengelige for LIGHTING-1-GEVK-settet, en BLE-bryter og et flersensorkort (øverste grønne boks). (Bildekilde: onsemi)

Design og distribusjonsalternativer

LED-gatelys og industriarmaturer gir nye muligheter til å revurdere design og distribusjon av belysningsnettverk. I motsetning til teknologiene de vanligvis erstatter, kan lysdioder dimmes, noe som skaper muligheter for å designe smartby og smart Industri 4.0-anlegg som integrerer ulike faktorer som trafikk/bruksmønstre, tid på døgnet og til og med en pakke med sensorer for å optimalisere lysnivåene etter behov .

I en smartby er trådløse nettverk et naturlig valg, men i Industri 4.0-fasiliteter kan kontroll implementeres med trådløs tilkobling eller Ethernet-tilkobling. Ethernet har den fordelen at det leverer strøm så vel som kommunikasjon. I begge tilfeller kan temperatur, fuktighet og til og med kamerasensorer integreres i armaturene, noe som øker funksjonaliteten. I tillegg kan driftsforholdene til selve armaturene, slik som interne temperaturer, kortsluttede eller åpne lysdioder og andre faktorer, overvåkes for å planlegge forebyggende vedlikehold og redusere driftskostnadene.

Sammendrag

Som vist, begynner utformingen av et pålitelig og virkningsfullt tilkoblet lysdiode (LED)-belysningssystem med utformingen av armaturene. Lysdiodene må velges for å gi det optimale lysnivået (lumen), og bruken av shunts kan betydelig forbedre armaturets pålitelighet og ytelse. Bruk av kablet eller trådløs tilkoblet LED-belysning i smartbyer, og Industri 4.0-anlegg kan redusere løpende vedlikeholds- og driftskostnader i tillegg til å redusere energiforbruket. Omfattende utviklingsplattformer er tilgjengelige for å hjelpe til med å fremskynde design og distribusjon av smarte tilkoblede LED-belysningsløsninger.