Cum se implementează controalele wireless ale iluminatului cu leduri în orașele inteligente și în clădirile industriale

Sistemele de iluminat cu leduri cu controale wireless sunt tot mai utilizate în orașele inteligente și în mediile din Industria 4.0, deoarece aduc beneficii multiple, inclusiv costuri mai mici cu energia (și o reducere corespunzătoare a emisiilor de carbon), niveluri de iluminare controlabile și costuri de întreținere reduse datorită fiabilității mai mari și duratei de viață mai lungi a corpurilor de iluminat cu leduri. Pentru a fi cât mai eficiente, aceste sisteme de iluminat cu leduri au nevoie de un controler de iluminat cu diverse moduri de funcționare, funcții de detectare și protecție, precum și de o eficiență ridicată și o gamă largă de tensiuni de funcționare de la 90 la 300 de volți de curent alternativ (V_c.a.), împreună cu un factor de putere ridicat (PF) și o distorsiune armonică totală (THD) scăzută. În plus, pentru completarea sistemului este necesară utilizarea unui microcontroler (MCU), a unui concentrator de date și a unui emițător-receptor fără fir. Proiectarea de la zero a unui sistem de control al iluminatului cu leduri fără fir este o sarcină multidisciplinară care implică un nivel de risc semnificativ și poate întârzia lansarea pe piață.

În schimb, proiectanții pot utiliza platforme de dezvoltare a controlului iluminatului cu leduri conectate și preproiectate. Aceste platforme sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic, au un PF ridicat și dispun de controale wireless complete (pornire/oprire, variere intensitate și alte moduri) și mai multe canale led controlate independent, ceea ce oferă flexibilitate maximă în proiectare. Acestea includ module de comunicații fără fir care acceptă protocoale precum Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee și 6LoWPAN. În plus, acestea sunt susținute de medii de dezvoltare care includ firmware personalizabil, RTOS liber și diverse cazuri de utilizare.

Acest articol începe prin trecerea în revistă a funcționării de bază a ledurilor și a construcției corpurilor de iluminat, precum și a parametrilor de măsurare a eficienței ledurilor și a corpurilor de iluminat. Discută despre utilizarea șunturilor pentru maximizarea fiabilității și performanței corpurilor de iluminat în aplicațiile orașelor inteligente și din Industria 4.0. În continuare, prezintă platformele de dezvoltare a acționării și controlării iluminatului cu leduri conectate preproiectate, precum și componentele aferente de la STMicroelectronics și onsemi, împreună cu considerente privind proiectarea și implementarea.

Controlul inteligent al iluminatului cu leduri începe cu controlul interacțiunii dintre ledurile din fiecare șir, pentru a optimiza performanța corpului de iluminat. Acesta include și conversia inteligentă a energiei și se extinde la controlul fără fir al mai multor corpuri de iluminat, incluzând atât hardware, cât și software, pentru a maximiza performanța rețelelor de iluminat stradal și industrial.

Un corp de iluminat tipic cu leduri include mai multe leduri în serie, în unul sau mai multe șiruri. Fiecare led necesită o tensiune de acționare de aproximativ 3,5 V. Un șir conține, de obicei, între 10 și 30 de leduri și funcționează de la o sursă de alimentare de 40-100 V, consumând un curent de aproximativ 0,35-1,0 amperi (A), în funcție de luminozitatea ledurilor individuale (Figura 1).

Figura 1: două șiruri de câte 16 leduri fiecare pentru utilizarea în corpuri de iluminat inteligente. (Sursa imaginii: onsemi)

Luminozitatea surselor de lumină este cuantificată în lumeni (lm), care măsoară luminozitatea aparentă pentru ochiul uman și ține cont de sensibilitatea ochiului la diferite lungimi de undă ale luminii vizibile. Eficiența cu care o sursă de lumină produce lumeni se numește eficacitate și se măsoară în lumeni pe watt (lm/W). Ledurile au o eficacitate mai mare decât alte tehnologii de iluminat obișnuite. Cu toate acestea, nu toate ledurile sunt la fel de eficiente, iar unele au o eficiență mult mai mare decât altele. În plus, un anumit led poate produce mai multă lumină dacă este alimentat cu mai mult curent.

Ledurile sunt mai fiabile decât alte tehnologii de iluminat, dar nu sunt perfecte. Se pot defecta, mai ales dacă sunt utilizate în mod intens într-un corp de iluminat de înaltă performanță, cum ar fi cele utilizate în iluminatul stradal și în iluminatul industrial. Ledul poate fi defectat de un scurtcircuit sau un circuit deschis. Dacă un led dintr-un șir se defectează în condiții de scurtcircuit, acesta se stinge, dar celelalte leduri din șir continuă să funcționeze. Curentul continuă să circule prin ledul scurtcircuitat, încălzindu-l până în punctul în care poate deveni un circuit deschis, ceea ce face ca întregul șir să se stingă.

Șuntarea ledurilor

Proiectanții corpurilor de iluminat cu leduri fac eforturi pentru a oferi mai mulți lumeni în corpuri de iluminat mai mici. Acest lucru necesită adesea ca ledurile să funcționeze la temperaturi mai ridicate pentru perioade lungi de timp și poate duce la defecțiuni ale ledurilor. În special corpurile de iluminat stradal ar trebui să aibă o durată de funcționare de până la 15 ani. Șunturile de bypass pot ajuta la reconcilierea cerințelor contradictorii pentru temperaturi de funcționare mai ridicate și durate de viață prelungite. Atunci când un led se defectează în stare deschisă, în loc ca șirul să se stingă, șuntul ocolește ledul și menține șirul în stare normală de funcționare, ledul defect fiind singurul stins (Figura 2).

Figura 2: fără șunturi de bypass, defecțiunea unui singur led duce la pierderea întregului șir (stânga). Cu șunturi de bypass, doar ledul defect se stinge, iar celelalte leduri din șir continuă să funcționeze (dreapta). (Sursa imaginii: onsemi)

Sunt disponibile șunturi care pot fi utilizate pentru a ocoli unul sau două leduri, în funcție de necesitățile de proiectare a corpului de iluminat (Figura 3). Ocolirea fiecărui led permite o scădere minimă a luminozității în cazul în care un led se defectează, în timp ce ocolirea a două leduri reduce numărul de șunturi la jumătate, pentru soluții mai sensibile la costuri. De exemplu, NUD4700SNT1G de la onsemi poate fi utilizat pentru a ocoli leduri individuale dintr-un șir și se resetează automat dacă ledul își reia funcționarea sau este înlocuit. LBP01-0810B de la STMicroelectronics poate ocoli 1 sau 2 leduri, sporind flexibilitatea de proiectare și reducând numărul de piese. De asemenea, LBP01-0810B oferă protecție la supratensiune împotriva supratensiunilor tranzitorii definite în IEC 61000-4-2 și IEC 61000-4-5.

Figura 3: sunt disponibile șunturi led (în interiorul casetelor punctate) care pot ocoli unul (stânga) sau două leduri (dreapta). (Sursa imaginii: onsemi)

Iluminat stradal inteligent

Proiectanții sistemelor inteligente de iluminat stradal pot utiliza placa STEVAL-LLL006V1 de la STMicroelectronics pentru a evalua opțiunile pentru iluminatul cu leduri de mare putere (Figura 4). Controlerul integrat de iluminat cu leduri HVled001A include diferite moduri de funcționare, mecanisme de detectare și protecție și produce un convertor de putere inteligent și eficient, utilizând MOSFET-uri STP21N90K5. Această placă de driver pentru leduri utilizează circuitul integrat de conversie de înaltă tensiune off-line VIPER012LSTR pentru a furniza o ieșire de la 60 până la 110 V curent continuu (c.c.) cu un curent constant de 0,7 A. Pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor de iluminat stradal inteligent, driverul are o gamă de intrare de la 90 până la 300 V_c.a., un PF de peste 0,97 și un THD sub 15%. Modulul emițător-receptor SPSGRFC încorporat de sub-1 GigaHertz (GHz) poate fi utilizat pentru a primi comenzi de pornire, oprire și atenuare a intensității și pentru a le trimite către microcontrolerul STM32L071KZ integrat. Acesta acceptă cinci niveluri de atenuare analogică a intensității.

Figura 4: placa de dezvoltare pentru iluminat cu leduri STEVAL-LLL006V1 face parte dintr-o platformă care include managementul energiei și conectivitatea wireless. (Sursă imagine: STMicroelectronics)

Instrumente de dezvoltare

O unitate de concentrare a datelor (DCU) și o aplicație de mobil Android sunt disponibile pentru a accelera procesul de dezvoltare și a evidenția funcționalitatea plăcii de evaluare STEVAL-LLL006V1. DCU este un mediu de evaluare integrat construit pe platforma NUCLEO-F401RE. Acesta include o placă X-NUCLEO-IDS01A4 pentru comunicarea sub-1-GHz cu STEVAL-LLL006V1 și o placă X-NUCLEO-IDB05A2 pentru comunicarea Bluetooth cu un dispozitiv mobil. De asemenea, STMicroelectronics oferă aplicația de mobil 6LoWPAN pentru iluminat stradal inteligent, care poate fi utilizată pentru a forma o rețea de controlere inteligente de iluminat stradal și pentru a evalua funcționalitatea rețelei.

Iluminat industrial cu leduri

Soluțiile industriale de iluminat cu leduri conectate pot fi prototipate cu ajutorul platformei de iluminat conectat LIGHTING-1-GEVK de la onsemi. Această platformă de dezvoltare dispune de control fără fir, posibilitatea de a alege între utilizarea unei surse de alimentare off-line c.a./c.c. sau a unei surse opționale de Power over Ethernet (PoE), a unui modul led și a unui modul de comandă led, plus un modul de conectivitate BLE pentru a aduce totul împreună. Opțiunile de control disponibile includ utilizarea aplicației de mobil RSL10 Sense and Control de la onsemi sau a unui client web. Această platformă de dezvoltare include un RTOS liber, un CMSIS-Pack cu firmware personalizabil și mai multe cazuri de utilizare pentru a începe explorarea utilizării soluțiilor industriale de iluminat cu leduri conectate.

Kitul de bază LIGHTING-1-GEVK include un driver led dublu, o placă led cu două șiruri de leduri, o sursă de alimentare c.a./c.c. și un modul de comunicații BLE (Figura 5). Un modul de alimentare PoE este disponibil separat, acesta fiind capabil să furnizeze până la 90 W. Unele specificații cheie ale diferitelor plăci din kit includ:

• Driver led dublu: include două drivere led FL7760 care livrează până la 25 W fiecare, cu o eficiență de până la 96%, o atenuare a intensității în 4.000 de trepte până la 0,6%, date de telemetrie, inclusiv măsurători de curent și tensiune pentru fiecare driver led, și o regletă pentru modulul MCU conectabil pentru a susține conectivitatea wireless.
• Placă de leduri: două canale independente cu 16 leduri pe fiecare canal. Un canal are leduri cu o putere nominală de 121 lm, iar celălalt canal are leduri cu o putere nominală de 95 lm, pentru o luminozitate totală disponibilă de 7.000 lm.
• Sursă de alimentare c.a./c.c.: include două controlere cu retur reductor de reglare a părții principale FL7740 cu PFC, funcționează pe o gamă de intrare de la 90 la 270 V_c.a., produce o ieșire de 70 W la 55 V pentru a alimenta placa de comandă a ledurilor, cu un PF de peste 0,99 și o eficiență de peste 91%.
• Modul BLE: platforma de iluminat conectat utilizează trei servicii BLE: serviciul de control al iluminatului, utilizat de dispozitivele conectate pentru a citi și a schimba de la distanță starea ledurilor, serviciul de telemetrie, utilizat de dispozitivele conectate pentru a monitoriza tensiunea și curentul din driverele led, și serviciul de furnizare a energiei PoE, care furnizează informații despre limitele de putere PoE impuse dispozitivului de către injectorul de putere PoE.

Figura 5: kitul de dezvoltare de bază include un driver led dublu, un șir dublu de leduri, o sursă de alimentare c.a./c.c. și un modul de conectivitate BLE. (Sursa imaginii: onsemi)

Plăci de expansiune

Două plăci de expansiune sunt disponibile pentru kitul LIGHTING-1-GEVK, comutatorul BLE-SWITCH001-GEVB de captare a energiei BLE și placa multisenzor MULTI-SENSE-GEVB (Figura 6). Luminozitatea ledurilor poate fi controlată cu ajutorul comutatorului BLE. Luminozitatea crește atunci când comutatorul este apăsat și ținut apăsat. Intensitatea luminii rămâne constantă atunci când comutatorul este eliberat sau când se atinge luminozitatea maximă. Luminozitatea este redusă prin apăsarea comutatorului a doua oară. Placa multisenzor permite realizarea de prototipuri pentru sisteme care includ un senzor de lumină ambientală, senzori de mediu și/sau un senzor de mișcare inerțială.

Figura 6: două plăci de expansiune sunt disponibile pentru kitul LIGHTING-1-GEVK, un comutator BLE și o placă multisenzor (caseta verde de sus). (Sursa imaginii: onsemi)

Opțiuni de proiectare și implementare

Corpurile de iluminat stradal și corpurile de iluminat industrial cu leduri aduc noi oportunități de regândire a proiectării și implementării rețelelor de iluminat. Spre deosebire de tehnologiile pe care le înlocuiesc de obicei, intensitatea ledurilor este reglabilă, ceea ce creează oportunități de proiectare a orașelor inteligente și a instalațiilor inteligente din Industria 4.0 care integrează diverși factori, precum modelele de trafic/utilizare, ora din zi și chiar o suită de senzori pentru a optimiza nivelurile de iluminat în funcție de necesități.

Într-un oraș inteligent, rețelele mesh fără fir sunt o alegere naturală, dar în instalațiile din Industria 4.0, controlul poate fi implementat cu conectivitate wireless sau Ethernet. Ethernet are avantajul de a furniza energie electrică, precum și comunicații. În ambele cazuri, senzorii de temperatură, umiditate și chiar senzorii de cameră pot fi integrați în corpurile de iluminat, sporindu-le funcționalitatea. În plus, condițiile de funcționare a corpurilor de iluminat, cum ar fi temperaturile interne, ledurile scurtcircuitate sau deschise și alți factori, se pot monitoriza pentru a ajuta la programarea întreținerii preventive și la reducerea costurilor de funcționare.

Rezumat

După cum s-a arătat, proiectarea unui sistem de iluminat cu leduri conectat fiabil și eficient începe cu proiectarea corpurilor de iluminat. Ledurile trebuie să fie selectate pentru a oferi un nivel optim de lumeni, iar utilizarea șunturilor poate îmbunătăți semnificativ fiabilitatea și performanța corpurilor de iluminat. Utilizarea iluminatului cu leduri conectate prin cablu sau fără fir în orașele inteligente și în instalațiile din Industria 4.0 poate reduce costurile de întreținere și de exploatare curente, pe lângă reducerea consumului de energie. Sunt disponibile platforme de dezvoltare complete care ajută la accelerarea proiectării și implementării de soluții inteligente de iluminat cu leduri conectate.