Sådan implementeres trådløs LED-belysningsstyring i intelligente byer og industribygninger

Brugen af systemer til LED-belysning med trådløs styring af miljøer i smart-byer og industri 4.0 er stigende, fordi det giver mange fordele, herunder lavere energiomkostninger (og en tilsvarende reduktion af CO2-emissioner), kontrollerbare belysningsniveauer og reducerede vedligeholdelsesomkostninger som følge af LED-armaturernes højere pålidelighed og længere levetid. For at være mest effektive har disse systemer til LED-belysning brug for en belysningscontroller med forskellige driftstilstande, sensorer og beskyttelsesfunktioner samt høj effektivitet og et bredt driftsspændingsområde fra 90 til 300 V_AC, sammen med høj effektfaktor (PF) og lav total harmonisk forvrængning (THD). Desuden er der brug for en mikrocontroller (MCU), en datakoncentrator og en trådløs transceiver for at fuldende systemet. At designe et trådløst system til styring af LED-belysning fra bunden er en tværfaglig opgave, som indebærer en betydelig risiko og kan forsinke markedsføringen.

I stedet kan designere bruge færdigudviklede udviklingsplatforme til udvikling af tilsluttet LED-belysningsstyring. Disse platforme er meget energieffektive med høj PF og har omfattende trådløs styring (tænd/sluk, dæmpning og andre tilstande) og flere uafhængigt styrede LED-kanaler, der giver maksimal fleksibilitet i designet. De omfatter trådløse kommunikationsmoduler, der understøtter protokoller som Bluetooth low energy (BLE), Zigbee og 6LoWPAN. Desuden understøttes de af udviklingsmiljøer, der omfatter tilpasselig firmware, Free RTOS og forskellige anvendelsesmuligheder.

Denne artikel begynder med en gennemgang af grundlæggende LED-drift og armaturkonstruktion samt målemetoder til måling af LED'ernes og armaturernes effektivitet. Den diskuterer brugen af shunts til at maksimere armaturets pålidelighed og ydeevne i applikationer til smart-byer og industri 4.0. Derefter præsenteres færdigudviklede udviklingsplatforme for tilsluttet LED-belysning og -styring og relaterede komponenter fra STMicroelectronics og onsemi sammen med overvejelser om design og implementering.

Smart LED-belysningsstyring begynder med at styre samspillet mellem LED'erne i hver streng for at optimere armaturets ydeevne. Det omfatter også intelligent strømkonvertering og udvider sig til trådløs styring af flere armaturer, herunder både hardware og software, for at maksimere ydeevnen af gadebelysning og industrielle belysningsnetværk.

Et typisk LED-armatur indeholder flere LED'er i serie i en eller flere strenge. Hver LED kræver en spænding på ca. 3,5 V. En streng indeholder normalt mellem 10 og 30 LED'er og drives af en forsyning på 40 til 100 V og trækker en strømstyrke på mellem 0,35 og 1,0 ampere (A), afhængigt af de enkelte LED'ers lysstyrke (figur 1).

Figur 1: To strenge med hver 16 LED'er til brug i intelligente armaturer. (Billedkilde: onsemi)

Lyskilders lysstyrke kvantificeres i lumen (lm), der måler den tilsyneladende lysstyrke for det menneskelige øje og tager højde for øjets følsomhed over for forskellige bølgelængder af synligt lys. Den effektivitet, hvormed en lyskilde producerer lumen, kaldes virkningsgrad og måles i lumen pr. watt (lm/W). Lysdioder har en højere effektivitet end andre almindelige belysningsteknologier. Men ikke alle LED'er er lige effektive, og nogle har en betydeligt højere effektivitet end andre. En given LED kan desuden producere mere lys, hvis den drives med mere strøm.

LED'er er mere pålidelige end andre belysningsteknologier, men de er ikke perfekte. LED'er kan fejle, især hvis de drives hårdt i et højtydende armatur som f.eks. dem, der anvendes i gadebelysning og industriel belysning. LED-fejl kan være en kortslutning eller et åbent kredsløb. Hvis en LED i en streng svigter i en kortslutning, bliver den mørk, men de resterende LED'er i strengen fortsætter med at fungere. Strømmen fortsætter med at løbe gennem den kortsluttede LED og opvarmer den så meget, at den kan blive et åbent kredsløb, hvilket får hele strengen til at gå i mørk.

Shunting LED'er

Designere af LED-armaturer er udfordret med at levere mere lysstyrke i mindre armaturer. Det kræver ofte, at LED'erne skal operere ved højere temperaturer i længere perioder, hvilket kan resultere i fejl på LED'erne. Især armaturer til gadebelysning forventes at have en levetid på op til 15 år. Bypass-shunts kan hjælpe med at forene de modstridende krav om højere driftstemperaturer og længere levetid. Når en LED svigter i åben tilstand, vil shunten i stedet for at strengen bliver mørk, forbigå LED'en og holde strengen i normal drift, idet kun den fejlbehæftede LED bliver mørk (figur 2).

Figur 2: Uden bypass-shunts medfører en enkelt LED-fejl, at hele strengen går tabt (til venstre). Med bypass-shunts er det kun den fejlbehæftede LED, der bliver mørk, og de resterende LED'er i strengen fortsætter med at fungere (til højre). (Billedkilde: onsemi)

Der findes shunts, som kan bruges til at omgå en eller to LED'er, afhængigt af behovet for armaturets design (Figur 3). Bypassing af hver enkelt LED giver et minimalt fald i lysstyrken, hvis en LED svigter, mens bypassing af to LED'er reducerer antallet af shunts til det halve for mere omkostningsfølsomme løsninger. NUD4700SNT1G fra onsemi kan f.eks. bruges til at forbigå individuelle LED'er i en streng, og den nulstilles automatisk, hvis LED'en genoptager driften eller udskiftes. LBP01-0810B fra STMicroelectronics kan forbigå enten 1 eller 2 lysdioder, hvilket øger fleksibiliteten i designet og reducerer antallet af dele. LBP01-0810B giver også overspændingsbeskyttelse mod overspændinger, der er defineret i IEC 61000-4-2 og IEC 61000-4-5.

Figur 3: Der findes LED-shunts (inden for de prikket kasser), som kan forbigå 1 (venstre) eller 2 (højre) LED'er. (Billedkilde: onsemi)

Intelligent gadebelysning

Designere af intelligente gadebelysningssystemer kan henvende sig til STEVAL-LLL006V1-kortet fra STMicroelectronics for at evaluere mulighederne for LED-belysning med høj effekt (figur 4). Den integrerede HVLED001A LED-belysningscontroller omfatter forskellige driftstilstande, sensorer og beskyttelsesmekanismer og producerer en intelligent og effektiv strømkonverter ved hjælp af STP21N90K5 MOSFET'er. Dette LED-driverkort bruger VIPER012LSTR off-line højspændingskonverter-IC'en til at levere et output på 60 til 110 VDC med en konstant strøm på 0,7 A. For at opfylde behovene i intelligente gadebelysningsapplikationer har driveren et 90 til 300 V_AC-indgangsområde, en PF på over 0,97 og en THD på under 15 %. Det indbyggede SPSGRFC sub-1 GigaHertz (GHz)-transceivermodul kan bruges til at modtage kommandoer til tænd, sluk og dæmpning og sende dem til den integrerede STM32L071KZ-mikrocontroller. Den understøtter fem niveauer af analog dæmpning.

Figur 4: STEVAL-LLL006V1 LED-belysningskortet er en del af en platform, der omfatter strømstyring og trådløs tilslutning. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Udviklingsværktøjer

For at fremskynde udviklingsprocessen og fremhæve funktionaliteten af STEVAL-LLL006V1 eval-kortet er der en datakoncentratorenhed (DCU) og en Android-mobilapplikation til rådighed. DCU er et integreret eval-miljø, der er bygget på NUCLEO-F401RE-platformen. Den omfatter et X-NUCLEO-IDS01A4-kort til sub-1 GHz-kommunikation med STEVAL-LLL006V1 og et X-NUCLEO-IDB05A2-kort til Bluetooth-kommunikation med en mobilenhed. STMicroelectronics tilbyder også deres 6LoWPAN Smart Streetlight-mobilapplikation, som kan bruges til at danne et net af intelligente gadebelysningscontrollere og evaluere netværksfunktionaliteten.

Industriel LED-belysning

Opkoblede industrielle LED-belysningsløsninger kan fremstilles som prototyper ved hjælp af LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform fra onsemi. Denne dev-platform har trådløs styring, valgmulighed for at bruge en offline AC/DC-strømforsyning eller en valgfri PoE-strømkilde (Power over Ethernet), et LED-modul og et LED-drivermodul samt et BLE-tilslutningsmodul til at binde det hele sammen. De tilgængelige kontrolmuligheder omfatter brug af onsemi's RSL10 Sense and Control-mobilapp eller en webklient. Denne udviklingsplatform omfatter Free RTOS, en CMSIS-pakke med tilpasselig firmware og flere anvendelsestilfælde til at begynde at udforske brugen af tilsluttede industrielle LED-belysningsløsninger.

Det grundlæggende LIGHTING-1-GEVK-kit inkludere en dobbelt LED-driver, et LED-kort med to LED-strenge, en AC/DC-strømforsyning og et BLE-kommunikationsmodul (figur 5). Der kan købes et PoE-strømmodul separat, som kan levere op til 90 W. Nogle af de vigtigste specifikationer for de forskellige kort i kittet omfatter:

• Dobbelt LED-driver: Omfatter to FL7760 LED-drivere, der leverer op til 25 W hver med op til 96 % effektivitet, 4.000 trin dæmpning ned til 0,6 %, telemetri-data, herunder strøm- og spændingsmålinger for hver LED-driver, og en header til det tilslutningsbare MCU-modul til understøttelse af trådløs tilslutning.
• LED-kort: To uafhængige kanaler med 16 lysdioder i hver kanal. Den ene kanal har LED'er med en lysstyrke på 121 lm, og den anden kanal har LED'er med en lysstyrke på 95 lm, hvilket giver en samlet lysstyrke på 7.000 lm.
• AC/DC-strømforsyning: Inkludere to FL7740-flybackcontrollere med PFC til regulering af primærsiden, fungerer i et inputområde på 90 til 270 V_AC, producerer et output på 70 W ved 55 V til at forsyne LED-driverkortet med en PF på over 0,99 og en effektivitet på over 91 %.
• BLE-modul: Den tilsluttede belysningsplatform bruger tre BLE-tjenester: Belysningsstyringstjenesten, der bruges af tilsluttede enheder til at fjernlæse og ændre LED'ernes tilstand, telemetri-tjenesten, der bruges af tilsluttede enheder til at overvåge spænding og strøm i LED-driverne, og PoE-strømforsyningstjenesten, der giver oplysninger om PoE-strømgrænser, som PoE-strømforsyningsinjektoren pålægger enheden.

Figur 5: Basis udviklingskittet omfatter en dobbelt LED-driver, en dobbelt LED-streng, en AC/DC-strømforsyning og et BLE-tilslutningsmodul. (Billedkilde: onsemi)

Udvidelseskort

Der findes to udvidelseskort til LIGHTING-1-GEVK-kittet, BLE-SWITCH001-GEVB energy harvesting BLE-switch og MULTI-SENSE-GEVB multi-sensor kortet (Figur 6). LED-lysstyrken kan styres med BLE-knappen. Lysstyrken øges, når kontakten trykkes og holdes nede. Lysintensiteten forbliver konstant, når kontakten slippes, eller når den maksimale lysstyrke er nået. Lysstyrken reduceres ved at trykke på kontakten en anden gang. Multi-sensor kortet understøtter prototyping af systemer, der omfatter en sensor for omgivende lys, miljøsensorer og/eller en inertial bevægelsessensor.

Figur 6: Der findes to udvidelseskort til LIGHTING-1-GEVK-kittet, en BLE-switch og et multi-sensor kort (øverste grønne boks). (Billedkilde: onsemi)

Design og implementeringsmuligheder

LED-gadebelysning og industrielle armaturer giver nye muligheder for at nytænke design og implementering af belysningsnetværk. I modsætning til de teknologier, de normalt erstatter, er LED'er dæmpbare, hvilket skaber muligheder for at designe intelligente byer og intelligente industri 4.0-faciliteter, der integrerer forskellige faktorer såsom trafik/brugermønstre, tidspunktet på dagen og endda en række sensorer for at optimere belysningsniveauet efter behov.

I smart-byer er trådløse mesh-netværk et naturligt valg, men i industri 4.0-faciliteter kan styring implementeres med trådløs eller Ethernet-tilslutning. Ethernet har den fordel, at det både leverer strøm og kommunikation. I begge tilfælde kan der integreres temperatur-, fugt- og endda kamera sensorer i armaturerne, hvilket øger deres funktionalitet. Desuden kan selve armaturernes driftsbetingelser, f.eks. interne temperaturer, kortsluttede eller åbne lysdioder og andre faktorer, overvåges for at hjælpe med at planlægge forebyggende vedligeholdelse og reducere driftsomkostningerne.

Sammenfatning

Som det fremgår, begynder udformningen af et pålideligt og effektivt tilsluttet LED-belysningssystem med udformningen af armaturerne. LED'erne skal vælges til at give det optimale lysmængde, og brugen af shunts kan forbedre armaturets pålidelighed og ydeevne betydeligt. Brugen af LED-belysning med kablet eller trådløs forbindelse i intelligente byer og industri 4.0-faciliteter kan reducere de løbende vedligeholdelses- og driftsomkostninger ud over at reducere energiforbruget. Der findes omfattende udviklingsplatforme, der kan hjælpe med at fremskynde design og implementering af intelligente, tilsluttede LED-belysningsløsninger.