Jak nasadit bezdrátové řízení LED osvětlení v inteligentních městech a průmyslových budovách

Používání LED osvětlovacích systémů s bezdrátovým ovládáním v prostředích inteligentních měst a koncepce Industry 4.0 roste, protože přináší řadu výhod, včetně nižších nákladů na energii (a odpovídající snížení emisí uhlíku), ovladatelných úrovní osvětlení a nižších nákladů na údržbu díky vyšší spolehlivosti a delší provozní životnost LED svítidel. Aby byly tyto LED osvětlovací systémy co nejúčinnější, potřebují řídicí jednotku osvětlení s různými provozními režimy, funkcemi snímání a ochrany, jakož i s vysokou účinností, širokým rozsahem provozního střídavého napětí 90 až 300 V, (V_AC), vysokým účiníkem (PF) a nízkým celkovým harmonickým zkreslením (THD). Vytvoření úplného systému dále vyžaduje mikrokontrolér (MCU), datový koncentrátor a bezdrátový transceiver. Návrh bezdrátového systému řízení osvětlení LED od začátku je multidisciplinární úkol, který s sebou nese značnou míru rizika a může způsobit zpoždění uvedení na trh.

Konstruktéři mohou namísto toho využívat předem připravené propojené vývojové platformy na řízení LED osvětlení. Tyto platformy vykazují vysokou energetickou účinnost, vysoký účiník, nabízejí komplexní bezdrátové řízení (zapnutí/vypnutí, stmívání a další režimy) a několik nezávisle řízených LED kanálů, které poskytují maximální konstrukční flexibilitu. Zahrnují bezdrátové komunikační moduly, které podporují protokoly jako Bluetooth low energy (BLE), Zigbee a 6LoWPAN. Navíc jsou podporovány vývojovými prostředími, která zahrnují přizpůsobitelný firmware, systém Free RTOS a různé případy využití.

Tento článek začíná základním přehledem o LED diodách, konstrukci svítidel a měřitelných faktorech účinnosti LED diod a svítidel. Pojednává o použití bočníků k maximalizaci spolehlivosti a výkonu svítidel v aplikacích inteligentních měst a koncepce Industry 4.0. Poté představuje předem připravené vývojové platformy řadičů a řízení připojeného LED osvětlení a související komponenty od společností STMicroelectronics a onsemi, společně s kritérii konstrukce a instalace.

Inteligentní řízení osvětlení LED začíná ovládáním interakce mezi LED diodami v každém řetězci pro optimalizaci výkonu svítidla. Zahrnuje také inteligentní konverzi napájení a sahá až k bezdrátovému řízení více svítidel včetně hardwaru i softwaru pro maximalizaci výkonu pouličního osvětlení a sítí průmyslového osvětlení.

Typické LED svítidlo obsahuje více LED diod v sérii v jednom nebo více řetězcích. Každá LED dioda vyžaduje napájecí napětí kolem 3,5 V. Řetězec obvykle obsahuje 10 až 30 LED diod a pracuje na napětí 40 až 100 V s odběrem proudu přibližně 0,35 až 1,0 A v závislosti na jasu jednotlivých LED diody (obrázek 1).

Obrázek 1: Dva řetězce 16 LED diod pro použití v inteligentních svítidlech. (Zdroj obrázku: onsemi)

Jas světelných zdrojů se udává v lumenech (lm), které měří zdánlivý jas pro lidské oko se zohledněním citlivosti oka na různé vlnové délky viditelného světla. Účinnost, se kterou světelný zdroj produkuje světelný tok, se nazývá účinnost a měří se v lumenech na watt (lm/W). LED diody mají vyšší účinnost než jiné běžné technologie osvětlení. Ne všechny LED diody jsou však stejně účinné a některé mají výrazně vyšší účinnost než jiné. Kromě toho může daná LED dioda produkovat více světla, pokud je buzena vyšším proudem.

LED diody jsou spolehlivější než jiné technologie osvětlení, nejsou však dokonalé. LED diody mohou selhat, zejména pokud jsou silně buzeny ve vysoce výkonných svítidlech, jako jsou svítidla používaná v pouličním a průmyslovém osvětlení. Porucha LED diody může vzniknout zkratem nebo přerušeným obvodem. Pokud na LED diodě nastane porucha ve stavu zkratu, zhasne, ale zbývající LED diody v řetězci nadále svítí. Proud dále protéká zkratovanou LED diodou a zahřívá ji do stavu, kdy může dojít k rozpojení obvodu, což má za následek ztmavnutí celého řetězce.

Bočníky LED diod

Konstruktéři LED svítidel mají za úkol dosáhnout vyššího světelného toku z menších svítidlech. To často vyžaduje, aby LED diody pracovaly při vyšších teplotách po delší dobu, což může vést k jejich poruchám. Zejména u svítidel veřejného osvětlení se očekává provozní životnost až 15 let. Překlenovací bočníky mohou pomoci sladit protichůdné požadavky na vyšší provozní teploty a prodlouženou životnost. Pokud na LED diodě nastane porucha v rozpojeném stavu, pak řetězec nezhane, protože bočník LED diodu překlene a zachová tak normální provozní stav řetězce. Zhasne tedy pouze vadná LED dioda (obrázek 2).

Obrázek 2: Bez překlenovacích bočníků má porucha jediné LED diody za následek výpadek celého řetězce (vlevo). Při použití překlenovacích bočníků zhasne pouze vadná LED dioda, ostatní zůstávají funkční (vpravo). (Zdroj obrázku: onsemi)

K dispozici jsou bočníky, které lze použít k překlenutí jedné nebo dvou LED diod podle požadavků konstrukce svítidla (obrázek 3). Překlenutí všech LED diod vede k minimálnímu poklesu jasu v případě poruchy některé z nich, zatímco překlenutí dvou LED diod snižuje počet bočníků na polovinu pro cenově citlivější řešení. Například bočník NUD4700SNT1G od společnosti onsemi, který lze použít k překlenutí jednotlivých LED diod v řetězci, se automaticky se odblokuje, jakmile LED dioda obnoví svou funkci nebo je vyměněna. Bočník LBP01-0810B od společnosti STMicroelectronics je schopen překlenout 1 nebo 2 LED diody, což zvyšuje flexibilitu konstrukce a snižuje počet součástí. Bočník LBP01-0810B dále poskytuje přepěťovou ochranu podle norem IEC 61000-4-2 a IEC 61000-4-5.

Obrázek 3: K dispozici jsou LED bočníky (uvnitř tečkovaných polí), které mohou překlenout 1 (vlevo) nebo 2 (vpravo) LED diody. (Zdroj obrázku: onsemi)

Inteligentní pouliční osvětlení

Konstruktéři systémů inteligentního pouličního osvětlení mohou k vyhodnocování možností vysoce výkonného LED osvětlení (obrázek 4) využívat desku STEVAL-LLL006V1 od společnosti STMicroelectronics. Integrovaný řídicí obvod LED osvětlení HVLED001A zahrnuje různé provozní režimy, snímací a ochranné mechanismy a plní funkci inteligentního a účinného měniče energie pomocí tranzistorů MOSFET STP21N90K5. Tato deska LED řadiče využívá off-line vysokonapěťový převodníkový IO VIPER012LSTR poskytující stejnosměrné výstupní napětí 60 až 110 V s konstantním proudem 0,7 A. Pro vyhovění požadavkům aplikací inteligentního pouličního osvětlení nabízí řidič vstupní napětí 90 až 300 V_AC, účiník vyšší než 0,97 a THD pod 15 %. Vestavěný transceiverový modul SPSGRFC sub-1 GigaHertz (GHz) lze použít k příjmu příkazů zapnutí, vypnutí a stmívání a jejich odesílání do integrovaného mikrokontroléru STM32L071KZ. Modul podporuje pět úrovní analogového stmívání.

Obrázek 4: vývojová deska LED osvětlení STEVAL-LLL006V1 je součástí platformy, která zahrnuje řízení spotřeby energie a bezdrátové připojení. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Vývojové nástroje

Pro urychlení procesu vývoje a zvýraznění funkčnosti vývojové desky STEVAL-LLL006V1 je k dispozici jednotka datový koncentrátor (DCU) a mobilní aplikace pro Android. DCU je integrované vývojové prostředí založené na platformě NUCLEO-F401RE. Zahrnuje desku X-NUCLEO-IDS01A4 pro komunikaci v pásmu pod 1 GHz s kartami STEVAL-LLL006V1 a X-NUCLEO-IDB05A2 pro Bluetooth komunikaci s mobilním zařízením. Společnost STMicroelectronics také nabízí vlastní mobilní aplikaci 6LoWPAN pro návrh inteligentního pouličního osvětlení, kterou lze využívat k vytvoření sítě ovladačů inteligentního pouličního osvětlení a vyhodnocování funkčnosti sítě.

Průmyslové LED osvětlení

Řešení připojeného průmyslového LED osvětlení lze prototypovat pomocí platformy připojeného osvětlení LIGHTING-1-GEVK od společnosti onsemi. Tato vývojová platforma se vyznačuje bezdrátovým řízením, možností použití střídavého/stejnosměrného off-line napájecího zdroje nebo volitelného zdroje napájení přes Ethernet (PoE), LED modulu, modulu LED řadiče a navíc modulu BLE konektivity pro celkové vzájemné propojení. Dostupné možnosti ovládání zahrnují použití mobilní aplikace onsemi RSL10 Sense and Control nebo webového klienta. Tato vývojová platforma zahrnuje balíčky Free RTOS a CMSIS s přizpůsobitelným firmwarem a několik případů použití, bylo možné začít zkoumat využití řešení připojených průmyslových LED osvětlení.

Základní souprava LIGHTING-1-GEVK obsahuje duální LED řadič, LED desku se dvěma LED řetězci, AC/DC napájecí zdroj a BLE komunikační modul (obrázek 5). Napájecí modul PoE je k dispozici samostatně a může dodávat výkon až 90 W. Některé klíčové specifikace různých desek v soupravě zahrnují:

• Duální LED řadič: obsahuje dva LED řadiče FL7760, z nichž každý dodává výkon až 25 W každý s účinností až 96 %, stmívání v 4000 krocích až na 0,6 %, telemetrická data včetně měření proudu a napětí pro každý LED řadič a patici pro zásuvný modul MCU na podporu bezdrátového připojení.
• LED deska: dva nezávislé kanály s 16 LED diodami v každém kanálu. Jeden kanál má LED diody dimenzované na 121 lm, druhý kanál na 95 lm s celkovým dostupným jasem 7 000 lm.
• Napájecí zdroj AC/DC: obsahuje dvě zpětnovazební řídicí jednotky FL7740 s regulací na primární straně a kompenzací účiníku, pracuje v rozsahu vstupních napětí 90 až 270 V_AC, napájí desku LED řadiče napětím 55 V o výkonu 70 W, a vykazuje účiník vyšší než 0,99 a účinnost přesahující 91 %.
• Modul BLE: Připojená osvětlovací platforma využívá tři služby modulu BLE - službu řízení osvětlení využívanou připojenými zařízeními ke vzdálenému čtení a změně stavu LED diod, telemetrickou službu využívanou připojenými zařízeními ke sledování napětí a proudu v LED řadičích a službu napájení PoE poskytující informace o limitech napájení PoE, které na zařízení klade napájecí injektor PoE.

Obrázek 5: Základní vývojová sada obsahuje duální LED řadič, duální LED řetězec, AC/DC napájecí zdroj a propojovací modul BLE. (Zdroj obrázku: onsemi)

Rozšiřující desky

Pro sadu LIGHTING-1-GEVK jsou k dispozici dvě rozšiřující desky, a sice přepínač BLE energy harvestingu BLE-SWITCH001-GEVB a multisenzorová deska MULTI-SENSE-GEVB (obrázek 6). Jas LED diod lze ovládat přepínačem BLE. Při stisknutí a podržení spínače se jas zvýší. Po uvolnění spínače nebo při dosažení maximálního jasu zůstává intenzita světla konstantní. Druhým stisknutím spínače se jas sníží. Multisenzorová deska podporuje prototypování systémů, které zahrnují senzor okolního světla, senzory prostředí a/nebo senzor setrvačného pohybu.

Obrázek 6: Pro vývojovou soupravu LIGHTING-1-GEVK jsou k dispozici dvě rozšiřující desky, přepínač BLE a multisenzorová deska (horní zelený rámeček). (Zdroj obrázku: onsemi)

Možnosti konstrukce a instalace

Pouliční a průmyslová LED svítidla přinášejí nové příležitosti k přehodnocení návrhu a rozmístění osvětlovacích sítí. Na rozdíl od technologií, které obvykle nahrazují, jsou LED diody stmívatelné, což vytváří příležitosti k návrhu inteligentních měst a zařízení koncepce Industry 4.0, která integrují různé faktory, jako jsou vzorce dopravy/využití, denní doba a dokonce i sada senzorů pro optimalizaci úrovní osvětlení podle potřeby.

V inteligentním městě jsou bezdrátové mesh sítě přirozenou volbou, avšak v zařízeních koncepce Industry 4.0 lze řízení implementovat pomocí bezdrátového nebo ethernetového připojení. Výhodou Ethernetu je poskytování energie a také komunikace. V obou případech lze do svítidel integrovat snímače teploty, vlhkosti a dokonce i kamerové senzory, čímž se zvyšuje jejich funkčnost. Kromě toho lze monitorovat provozní stavy samotných svítidel, jako jsou vnitřní teploty, zkratované nebo rozpojené LED diody a další faktory, které pomohou naplánovat preventivní údržbu a snížit provozní náklady.

Shrnutí

Jak bylo ukázáno, návrh spolehlivého a efektivního systému připojeného LED osvětlení začíná návrhem svítidel. LED diody je třeba vybrat tak, aby poskytovaly optimální úroveň světelného toku, přičemž použití bočníků může výrazně zlepšit spolehlivost a výkon svítidla. Použití kabelového nebo bezdrátového připojeného LED osvětlení v inteligentních městech a zařízeních koncepce Industry 4.0 může kromě snížení spotřeby energie snížit náklady na průběžnou údržbu a provoz. K dispozici jsou komplexní vývojové platformy, které pomohou urychlit návrh a nasazení inteligentních propojených řešení LED osvětlení.