Hur man distribuerar trådlös LED-belysningsstyrning i smarta städer och industribyggnader

Användningen av LED-belysningssystem med trådlös styrning i smarta städer och miljöer med Industry 4.0 ökar, eftersom det ger många fördelar, bland annat lägre energikostnader (och en motsvarande minskning av koldioxidutsläpp), styrbara belysningsnivåer och minskade underhållskostnader tack vare LED-armaturernas högre tillförlitlighet och längre livslängd. För att LED-belysningssystemen ska bli så effektiva som möjligt behövs en belysningsstyrning med olika driftlägen, avkännings- och skyddsfunktioner, hög verkningsgrad och ett brett spänningsområde från 90 till 300 V_AC, samt hög effektfaktor (PF) och låg total harmonisk distorsion (THD). Dessutom behövs en microcontroller (MCU), en datakoncentrator och en trådlös transceiver för att slutföra systemet. Att utforma ett trådlöst LED-belysningssystem från grunden är en tvärvetenskaplig uppgift som innebär en betydande risknivå och kan försena tiden till marknaden.

Konstruktörer kan istället använda förkonstruerade utvecklingsplattformar för styrning av ansluten LED-belysning. Plattformarna är mycket energieffektiva, har hög effektfaktor och omfattande trådlös styrning (av/på, dimring och andra lägen) samt flera individuellt styrbara LED-kanaler som ger maximal flexibilitet i konstruktionen. De innehåller trådlösa kommunikationsmoduler med stöd för protokoll såsom Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee och 6LoWPAN. De stöds dessutom av utvecklingsmiljöer som inkluderar anpassningsbar firmware, Free RTOS och olika användningsområden.

Artikeln inleds med en genomgång av grundläggande drift av lysdioder och konstruktion av armaturer samt mätvärden för att mäta effektiviteten hos lysdioder och armaturer. Den diskuterar användningen av shuntar för att maximera armaturens tillförlitlighet och prestanda i tillämpningar för smarta städer och Industry 4.0. Därefter presenteras förkonstruerade utvecklingsplattformar för drivning och styrning av ansluten LED-belysning samt relaterade komponenter från STMicroelectronics och onsemi, tillsammans med överväganden om utformning och användning.

Smart styrning av LED-belysning börjar med att styra samspelet mellan lysdioder i varje slinga för att optimera armaturens prestanda. Det omfattar även smart strömomvandling och sträcker sig till trådlös styrning av flera armaturer, inklusive både hårdvara och mjukvara, för att maximera prestandan i nätverk för gatubelysning och industriell belysning.

En typisk LED-armatur innehåller flera seriekopplade lysdioder i en eller flera slingor. Varje lysdiod kräver en drivspänning på cirka 3,5 V. En slinga innehåller vanligen 10-30 lysdioder och drivs med en strömförsörjning på 40-100 V och en strömstyrka på 0,35-1 A, beroende på ljusstyrkan hos de enskilda lysdioderna (figur 1).

Figur 1: Två slingor med 16 lysdioder vardera för användning i smarta armaturer. (Bildkälla: onsemi)

Ljuskällors ljusstyrka kvantifieras i lumen (lm). Det är ett mått på den synliga ljusstyrkan för det mänskliga ögat och tar hänsyn till ögats känslighet för olika våglängder av synligt ljus. Den effektivitet med vilken en ljuskälla producerar lumen kallas effektivitet och mäts i lumen per watt (lm/W). Lysdioder har högre verkningsgrad än andra vanliga belysningstekniker. Alla lysdioder är dock inte lika effektiva, och vissa har betydligt högre verkningsgrad än andra. Dessutom kan en viss lysdiod ge mer ljus om den drivs med mer ström.

Lysdioder är mer tillförlitliga än andra belysningstekniker, men de är inte perfekta. Lysdioder kan gå sönder, särskilt om de drivs hårt i en högeffektiv armatur som används i gatubelysning och industriell belysning. Fel i lysdioder kan bestå av en kortslutning eller en öppen krets. Om en lysdiod i en slinga blir kortsluten, slocknar den, men de återstående lysdioderna i slingan fortsätter att fungera. Strömmen fortsätter att flöda genom den kortslutna lysdioden och värmer den så mycket att den kan bli en öppen krets, vilket gör att hela slingan slocknar.

Förbikoppling av lysdioder

Konstruktörer av LED-armaturer utmanas att leverera mer lumen i mindre armaturer. Detta kräver ofta att lysdioderna arbetar vid högre temperaturer under längre perioder, vilket kan leda till att de går sönder. Gatubelysningsarmaturer, i synnerhet, förväntas ha en livslängd på upp till 15 år. Shuntar för förbikoppling kan göra det lättare att förena de motstridiga kraven på högre driftstemperaturer och längre livslängd. Om en lysdiod går sönder i öppet tillstånd, och slingan slocknar, så förbikopplar shunten lysdioden och låter slingan fortsätta att fungera normalt förutom den trasiga lysdioden som slocknar (figur 2).

Figur 2: Utan förbikopplingsshuntar leder ett enskilt fel på en lysdiod till att hela slingan slocknar (till vänster). Med förbikopplingsshuntar är det bara den trasiga lysdioden som slocknar och de övriga lysdioderna i slingan fortsätter att fungera (till höger). (Bildkälla: onsemi)

Det finns shuntar som kan användas för att förbikoppla en eller två lysdioder, beroende på behoven i armaturens konstruktion (figur 3). Genom att förbikoppla varje lysdiod kan förlusten av ljusstyrka minskas minimalt om en lysdiod går sönder, medan förbikoppling av två lysdioder minskar antalet shuntar till hälften för mer kostnadskänsliga lösningar. NUD4700SNT1G från onsemi kan exempelvis användas för att förbikoppla enskilda lysdioder i en slinga, och den återställs automatiskt om lysdioden börjar fungera igen eller byts ut. LBP01-0810B från STMicroelectronics kan förbikoppla antingen en eller två lysdioder, vilket ökar flexibiliteten i konstruktionen och minskar antalet delar. LBP01-0810B har även ett skydd mot överspänningar enligt definitionen i IEC 61000-4-2 och IEC 61000-4-5.

Figur 3: Det finns shuntar för lysdioder (i de streckade rutorna) som kan förbikoppla en (vänster) eller två (höger) lysdioder. (Bildkälla: onsemi)

Smart gatubelysning

Konstruktörer av system för smart gatubelysning kan använda sig av kortet STEVAL-LLL006V1 från STMicroelectronics för att utvärdera alternativ för LED-belysning med hög effekt (figur 4). Den integrerade LED-belysningsstyrningen HVLED001A innehåller olika driftlägen, avkännings- och skyddsmekanismer och producerar en intelligent och effektiv strömomvandlare med MOSFET:arna STP21N90K5. Det här LED-drivningskortet använder högspänningsomvandlaren VIPER012LSTR för att ge en utspänning på 60 till 110 V DC med en konstant ström på 0,7 A. För att uppfylla behoven i tillämpningar för smart gatubelysning har drivkretsen ett inspänningsområde från 90 till 300 V_AC, en effektfaktor på mer än 0,97 och en THD på under 15 %. Den inbyggda transceivermodulen SPSGRFC för frekvenser under 1 GHz kan användas för att ta emot kommandon för på, av och dimring samt skicka dessa till den integrerade microcontrollern STM32L071KZ. Den har stöd för fem nivåer av analog dimring.

Figur 4: Utvecklingskortet STEVAL-LLL006V1 för LED-belysning är en del av en plattform som omfattar strömstyrning och trådlös anslutning. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Utvecklarverktyg

För att påskynda utvecklingsprocessen och visa funktionen hos utvärderingskortet STEVAL-LLL006V1 finns en datakoncentratorenhet (DCU) och en mobilapplikation för Android tillgängliga. Datakoncentratorn är en integrerad utvärderingsmiljö som bygger på plattformen NUCLEO-F401RE. Den innehåller ett X-NUCLEO-IDS01A4-kort för kommunikation i frekvensbanden under 1 GHz med STEVAL-LLL006V1 och ett X-NUCLEO-IDB05A2-kort för Bluetooth-kommunikation med en mobil enhet. STMicroelectronics erbjuder även sin mobilapplikation 6LoWPAN Smart Streetlight som kan användas för att bilda ett mesh-nät av styrenheter för smart gatubelysning och utvärdera nätverksfunktionaliteten.

Industriell LED-belysning

Uppkopplade lösningar för industriell LED-belysning kan skapas som prototyper med hjälp av LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform från onsemi. Denna utvecklingsplattform har trådlös styrning, valmöjlighet att använda en off-line AC/DC-strömförsörjning eller en valfri PoE-strömkälla (Power over Ethernet), en LED-modul och en LED-drivningsmodul samt en BLE-anslutningsmodul för att koppla ihop allting. Tillgängliga kontrollalternativ inkluderar användning av mobilappen RSL10 Sense and Control från onsemi eller en webbklient. Utvecklingsplattformen innehåller Free RTOS, ett CMSIS-paket med anpassningsbar firmware och flera användarfall för att börja utforska användningen av uppkopplade lösningar för industriell LED-belysning.

Grundpaketet LIGHTING-1-GEVK innehåller en dubbel LED-drivkrets, ett LED-kort med två LED-slingor, en AC/DC-strömförsörjning och en BLE-kommunikationsmodul (figur 5). En PoE-kraftmodul som kan ge upp till 90 W, finns tillgänglig separat. Några viktiga specifikationer för de olika korten i paketet inkluderar:

• Dubbel LED-drivkrets: innehåller två FL7760 LED-drivkretsar som ger upp till 25 W vardera med en verkningsgrad på upp till 96 %, 4 000 steg för dimring ner till 0,6 %, telemetridata inklusive ström- och spänningsmätningar för respektive LED-drivkrets och en kontakt för den anslutningsbara MCU-modulen för att stödja trådlös anslutning.
• LED-kort: två oberoende kanaler med 16 lysdioder i varje kanal. Den ena kanalen innehåller lysdioder med en ljusstyrka på 121 lm och den andra kanalen innehåller lysdioder med en ljusstyrka på 95 lm, vilket ger en total ljusstyrka på 7 000 lm.
• AC/DC-strömförsörjning: innehåller två FL7740 flyback-regulatorer med effektfaktorkorrigering för reglering av primärsidan som arbetar i ett inspänningsområde 90-270 V_AC, ger en effekt på 70 W vid 55 V för att driva LED-drivningskortet, med en effektfaktor på över 0,99 och en verkningsgrad på över 91 %.
• BLE-modul: Den uppkopplade belysningsplattformen använder tre BLE-tjänster: tjänsten för belysningsstyrning som används av anslutna enheter för att fjärravläsa och ändra lysdiodernas tillstånd, telemetritjänsten som används av anslutna enheter för att övervaka spänning och ström i lysdiodernas drivkretsar samt tjänsten för PoE-strömförsörjning som ger information om PoE-strömbegränsningar från PoE-strömförsörjningsinjektorn.

Figur 5 Grundpaketet för utvecklare innehåller en dubbel LED-drivkrets, en dubbel LED-slinga, en AC/DC-strömförsörjning och en BLE-kommunikationsmodul. (Bildkälla: onsemi)

Utökningskort

Två utökningskort finns för paketet LIGHTING-1-GEVK, den energiutvinnande BLE-omkopplaren BLE-SWITCH001-GEVB och kortet MULTI-SENSE-GEVB med flera sensorer (figur 6). Lydiodernas ljusstyrka kan regleras med BLE-omkopplaren. Ljusstyrkan ökar när du trycker på omkopplaren och håller den intryckt. Ljusstyrkan förblir konstant när omkopplaren släpps eller när den maximala ljusstyrkan är uppnådd. Ljusstyrkan minskas genom att trycka på omkopplaren en andra gång. Kortet med flera sensorer har stöd för prototyper av system som innehåller en sensor för omgivningsljus, miljösensorer och/eller en sensor för tröghetsrörelse.

Figur 6: Två utökningskort för paketet LIGHTING-1-GEVK, en BLE-omkopplare och ett kort med flera sensorer (i den översta gröna rutan). (Bildkälla: onsemi)

Alternativ vid konstruktion och användning

LED-gatubelysning och industriella LED-armaturer ger nya möjligheter att tänka om när det gäller konstruktion och installation av belysningsnätverk. Till skillnad från de tekniker som de vanligtvis ersätter är lysdioder dimringsbara, vilket skapar möjligheter att utforma smarta städer och smarta Industry 4.0-anläggningar som integrerar olika faktorer, t.ex. trafik- och användningsmönster, tid på dygnet och till och med en uppsättning sensorer för att optimera belysningsnivåerna efter behov.

I en smart stad är trådlösa mesh-nätverk ett naturligt val, men i anläggningar för Industry 4.0 kan styrning implementeras med trådlösa eller Ethernet-baserade anslutningar. Ethernet har fördelen av att leverera både ström och kommunikation. I båda fallen kan temperatur-, fukt- och till och med kamerasensorer integreras i armaturerna, vilket ökar deras funktionalitet. Armaturernas driftförhållanden som t.ex. interna temperaturer, kortslutna eller öppna lysdioder och andra faktorer, kan dessutom övervakas för att hjälpa till att planera förebyggande underhåll och minska driftskostnaderna.

Sammanfattning

Som framgår inleds konstruktionen av ett tillförlitligt och effektivt anslutet LED-belysningssystem med konstruktionen av armaturerna. Lysdioderna måste väljas för att ge optimal nivå av lumen, och användningen av shuntar kan förbättra armaturens tillförlitlighet och prestanda avsevärt. Användning av kabelanslutna eller trådlöst anslutna LED-belysningar i smarta städer och anläggningar för Industry 4.0 kan minska de löpande underhålls- och driftskostnaderna samt minska energiförbrukningen. Det finns omfattande utvecklingsplattformar som gör det lättare att skynda på konstruktionen och distributionen av smarta, uppkopplade lösningar för LED-belysning.