Hoe draadloze LED-verlichtingsregelingen in te zetten in slimme steden en industriële gebouwen

Het gebruik van LED-verlichtingssystemen met draadloze bediening in smart cities en Industry 4.0-instellingen neemt toe omdat het meerdere voordelen biedt, waaronder lagere energiekosten (en een overeenkomstige vermindering van de koolstofemissies), regelbare verlichtingsniveaus en lagere onderhoudskosten door de hogere betrouwbaarheid en langere levensduur van LED-armaturen. Om zo effectief mogelijk te zijn, hebben deze LED-verlichtingssystemen een verlichtingsregelaar nodig met verschillende bedrijfsmodi, detectie- en beschermingsfuncties, plus een hoge efficiëntie en een breed werkspanningsbereik van 90 tot 300 volt wisselstroom (V_AC), samen met een hoge vermogensfactor (PF) en een lage totale harmonische vervorming (THD). Bovendien zijn een microcontroller (MCU), een gegevensconcentrator en een draadloze zendontvanger nodig om het systeem te voltooien. Het ontwerpen van een draadloos besturingssysteem voor LED-verlichting vanaf nul is een multidisciplinaire taak die een aanzienlijk risiconiveau inhoudt en de markttijd kan vertragen.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van vooraf ontworpen platforms voor de ontwikkeling van aangesloten LED-verlichtingsregelingen. Deze platforms zijn zeer energie-efficiënt, met een hoge PF, en beschikken over uitgebreide draadloze regelingen (aan/uit, dimmen en andere modi) en meerdere onafhankelijk gecontroleerde LED-kanalen die maximale ontwerpflexibiliteit bieden. Zij omvatten draadloze communicatiemodules die protocollen zoals Bluetooth low energy (BLE), Zigbee en 6LoWPAN ondersteunen. Bovendien worden ze ondersteund door ontwikkelomgevingen met aanpasbare firmware, Free RTOS en diverse gebruiksmogelijkheden.

Dit artikel begint met een overzicht van de basiswerking van LED's en de constructie van armaturen, plus maatstaven voor het meten van de efficiëntie van LED's en armaturen. Het bespreekt het gebruik van shunts om de betrouwbaarheid en prestaties van armaturen in smart city- en Industry 4.0-toepassingen te maximaliseren. Vervolgens worden vooraf ontworpen ontwikkelingsplatforms voor aangesloten LED-verlichting en gerelateerde componenten van STMicroelectronics en onsemi gepresenteerd, samen met ontwerp- en toepassingsoverwegingen.

Slimme LED-verlichtingsregeling begint met het regelen van de interactie tussen LED's in elke string om de prestaties van de armatuur te optimaliseren. Het omvat ook slimme stroomconversie en strekt zich uit tot draadloze besturing van meerdere armaturen, met inbegrip van zowel hardware als software, om de prestaties van straatverlichting en industriële verlichtingsnetwerken te maximaliseren.

Een typische LED-armatuur omvat meerdere LED's in serie in een of meer strings. Elke LED heeft een aandrijfspanning van ongeveer 3,5 V nodig. Een string bevat gewoonlijk 10 tot 30 LED's en werkt op een voeding van 40 tot 100 V, waarbij ongeveer 0,35 tot 1,0 ampère (A) stroom wordt opgenomen, afhankelijk van de helderheid van de afzonderlijke LED's (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Twee strings van elk 16 LED's voor gebruik in slimme armaturen. (Bron afbeelding: onsemi)

De helderheid van lichtbronnen wordt gekwantificeerd in lumen (lm) die de schijnbare helderheid voor het menselijk oog meten en rekening houden met de gevoeligheid van het oog voor verschillende golflengten van zichtbaar licht. De efficiëntie waarmee een lichtbron lumen produceert, wordt de efficiëntie genoemd en wordt gemeten in lumen per watt (lm/W). LED's hebben een hogere efficiëntie dan andere gangbare verlichtingstechnologieën. Niet alle LED's zijn echter even efficiënt, en sommige hebben een aanzienlijk hoger rendement dan andere. Bovendien kan een bepaalde LED meer licht produceren als hij met meer stroom wordt aangedreven.

LED's zijn betrouwbaarder dan andere verlichtingstechnologieën, maar ze zijn niet perfect. LED's kunnen falen, vooral als ze hard worden aangedreven in een krachtige armatuur zoals die welke worden gebruikt in straatverlichting en industriële verlichting. LED-storing kan kortsluiting of een open circuit zijn. Als een LED in een string in kortsluiting uitvalt, wordt hij donker, maar de overige LED's in de string blijven werken. Er blijft stroom lopen door de kortgesloten LED, die zo heet wordt dat hij een open circuit kan worden, waardoor de hele string donker wordt.

LED's rangeren

Ontwerpers van LED-armaturen worden uitgedaagd om meer lumen te leveren in kleinere armaturen. Dat vereist vaak dat de LED's gedurende langere tijd bij hogere temperaturen werken en kan leiden tot defecten aan de LED's. Vooral van straatlantaarns wordt een levensduur tot 15 jaar verwacht. Bypassshunts kunnen de tegenstrijdige eisen voor hogere bedrijfstemperaturen en langere levensduur helpen verzoenen. Wanneer een LED uitvalt in de open toestand, in plaats van dat de string donker wordt, omzeilt de shunt de LED en blijft de string normaal functioneren waarbij alleen de defecte LED donker wordt (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Zonder bypassshunts leidt één enkele LED-storing tot het verlies van de hele string (links). Met bypassshunts gaat alleen de defecte LED op zwart, en blijven de overige LED's in de string werken (rechts). (Bron afbeelding: onsemi)

Er zijn shunts beschikbaar die kunnen worden gebruikt om één of twee LED's te omzeilen, afhankelijk van de behoeften van het armatuurontwerp (Afbeelding 3). Het omzeilen van elke LED ondersteunt een minimale daling van de helderheid als een LED uitvalt, terwijl het omzeilen van twee LED's het aantal shunts halveert voor meer kostengevoelige oplossingen. De NUD4700SNT1G van onsemi kan bijvoorbeeld worden gebruikt om afzonderlijke LED's in een string te omzeilen, en hij wordt automatisch gereset als de LED weer gaat werken of wordt vervangen. De LBP01-0810B van STMicroelectronics kan 1 of 2 LED's omzeilen, waardoor de ontwerpflexibiliteit toeneemt en het aantal onderdelen afneemt. De LBP01-0810B biedt ook overspanningsbeveiliging tegen pieken zoals gedefinieerd in IEC 61000-4-2 en IEC 61000-4-5.

Afbeelding 3: Er zijn LED-shunts (binnen de gestippelde vakjes) beschikbaar die 1 (links) of 2 (rechts) LED's kunnen omzeilen. (Bron afbeelding: onsemi)

Slimme straatverlichting

Ontwerpers van slimme straatverlichtingssystemen kunnen zich wenden tot het STEVAL-LLL006V1-bord van STMicroelectronics om opties voor hoogvermogen-LED-verlichting te evalueren (Afbeelding 4). De geïntegreerde HVLED001A LED-verlichtingscontroller omvat verschillende bedrijfsmodi, detectie- en beschermingsmechanismen, en produceert een intelligente en efficiënte vermogensconvertor die gebruik maakt van STP21N90K5 MOSFET's. Deze LED-driverbord gebruikt de VIPER012LSTR off-line hoogspanningsconverter IC om een uitgang van 60 tot 110 V gelijkstroom (dc) te leveren met een constante stroom van 0,7 A. Om te voldoen aan de behoeften van slimme straatverlichtingstoepassingen heeft de driver een ingangsbereik van 90 tot 300 V_AC, een PF van meer dan 0,97 en een THD van minder dan 15%. De ingebouwde SPSGRFC sub-1 GigaHertz (GHz) zendontvangermodule kan worden gebruikt om aan-, uit- en dimcommando's te ontvangen en naar de geïntegreerde STM32L071KZ-microcontroller te sturen. Hij ondersteunt vijf niveaus van analoog dimmen.

Afbeelding 4: De STEVAL-LLL006V1 LED-verlichting ontwikkelbord maakt deel uit van een platform dat power management en draadloze connectiviteit omvat. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Ontwikkelingstools

Om het ontwikkelingsproces te versnellen en de functionaliteit van het STEVAL-LLL006V1 eval board te benadrukken, zijn een data concentrator unit (DCU) en Android mobiele applicatie beschikbaar. De DCU is een geïntegreerde eval-omgeving, gebouwd op het NUCLEO-F401RE-platform. Het omvat een X-NUCLEO-IDS01A4-bord voor sub-1-GHz communicatie met de STEVAL-LLL006V1 en een X-NUCLEO-IDB05A2-bord voor Bluetooth-communicatie met een mobiel apparaat. STMicroelectronics biedt ook hun 6LoWPAN Smart Streetlight mobiele applicatie die kan worden gebruikt om een netwerk van slimme straatverlichtingscontrollers te vormen en de netwerkfunctionaliteit te evalueren.

Industriële LED-verlichting

Connected industriële LED-verlichtingsoplossingen kunnen worden geprototyped met behulp van het LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform van onsemi. Dit ontwikkelingsplatform beschikt over draadloze bediening, de keuze om een off-line ac/dc-voeding of een optionele power over Ethernet (PoE) voeding te gebruiken, een LED-module en een LED-driver module, plus een BLE-connectiviteitsmodule om alles samen te brengen. Beschikbare bedieningsopties omvatten het gebruik van de RSL10 Sense and Control mobiele app van onsemi of een webclient. Dit dev-platform omvat een Free RTOS, een CMSIS-Pack met aanpasbare firmware en verschillende use cases om het gebruik van aangesloten industriële LED-verlichtingsoplossingen te verkennen.

De basiskit van LIGHTING-1-GEVK omvat een dubbele LED-driver, een LED-bord met twee LED-strings, een AC/DC-voeding en een BLE-communicatiemodule (Afbeelding 5). Een PoE-voedingsmodule is apart verkrijgbaar die tot 90 W kan leveren. Enkele belangrijke specificaties van de verschillende borden in de kit zijn:

• Dubbele LED-driver: omvat twee FL7760 LED-drivers die elk tot 25 W leveren met een efficiëntie tot 96%, 4.000 stappen dimmen tot 0,6%, telemetriegegevens inclusief stroom- en spanningsmetingen voor elke LED-driver, en een header voor de insteekbare MCU-module ter ondersteuning van draadloze connectiviteit.
• LED-bord: twee onafhankelijke kanalen met 16 LED's in elk kanaal. Eén kanaal heeft LED's met een lichtsterkte van 121 lm en het andere kanaal heeft LED's met een lichtsterkte van 95 lm, voor een totale lichtsterkte van 7.000 lm.
• AC/DC-voeding: omvat twee FL7740 flyback-regelaars aan primaire zijde met PFC, werkt over een ingangsbereik van 90 tot 270 V_AC, produceert een uitgang van 70 W bij 55 V om de LED-driverboard van stroom te voorzien, met een PF van meer dan 0,99 en een efficiëntie van meer dan 91%.
• BLE-module: Het aangesloten verlichtingsplatform gebruikt drie BLE-diensten; verlichtingscontroledienst die door aangesloten apparaten wordt gebruikt om op afstand de toestand van de LED's uit te lezen en te wijzigen, telemetriedienst die door aangesloten apparaten wordt gebruikt om de spanning en stroom in de LED-drivers te controleren, en de PoE-voedingsdienst die informatie verschaft over PoE-vermogenslimieten die door de PoE-voedingsinjector aan het apparaat worden opgelegd.

Afbeelding 5: Het basispakket bevat een dubbele LED-driver, een dubbele LED-string, een AC/DC-voeding en een BLE-connectiviteitsmodule. (Bron afbeelding: onsemi)

Uitbreidingsborden

Voor de LIGHTING-1-GEVK kit zijn twee uitbreidingsborden beschikbaar, de BLE-SWITCH001-GEVB energiewinning BLE-schakelaar, en het MULTI-SENSE-GEVB multi-sensorbord (Afbeelding 6). De LED-helderheid kan worden geregeld met de BLE-schakelaar. De helderheid neemt toe wanneer de schakelaar ingedrukt wordt gehouden. De lichtintensiteit blijft constant wanneer de schakelaar wordt losgelaten of wanneer de maximale lichtsterkte is bereikt. De helderheid wordt verminderd door de schakelaar een tweede keer in te drukken. Het multi-sensorbord ondersteunt prototyping van systemen met een omgevingslichtsensor, omgevingssensoren en/of een traagheidsbewegingssensor.

Afbeelding 6: Voor de LIGHTING-1-GEVK-kit zijn twee uitbreidingsborden beschikbaar, een BLE-schakelaar en een multi-sensorbord (bovenste groene vakje). (Bron afbeelding: onsemi)

Ontwerp- en inzetmogelijkheden

LED-straatverlichting en industriële armaturen bieden nieuwe mogelijkheden om het ontwerp en de toepassing van verlichtingsnetwerken te herzien. In tegenstelling tot de technologieën die ze gewoonlijk vervangen, zijn LED's dimbaar, wat mogelijkheden schept om slimme steden en slimme Industrie 4.0-faciliteiten te ontwerpen die verschillende factoren integreren, zoals verkeers-/gebruikspatronen, het tijdstip van de dag en zelfs een reeks sensoren om de verlichtingsniveaus naar behoefte te optimaliseren.

In een slimme stad zijn draadloze mesh-netwerken een natuurlijke keuze, maar in Industrie 4.0-faciliteiten kan de besturing worden geïmplementeerd met draadloze of Ethernet-connectiviteit. Ethernet heeft het voordeel dat het zowel stroom als communicatie levert. In beide gevallen kunnen temperatuur-, vochtigheids- en zelfs camerasensors in de armaturen worden geïntegreerd, waardoor hun functionaliteit toeneemt. Bovendien kunnen de bedrijfsomstandigheden van de armaturen zelf, zoals interne temperaturen, kortgesloten of open LED's en andere factoren, worden bewaakt om preventief onderhoud te helpen plannen en de bedrijfskosten te verlagen.

Samenvatting

Zoals blijkt, begint het ontwerpen van een betrouwbaar en efficiënt aangesloten LED-verlichtingssysteem met het ontwerp van de armaturen. De LED's moeten worden geselecteerd om het optimale lumenniveau te leveren, en het gebruik van shunts kan de betrouwbaarheid en de prestaties van de armatuur aanzienlijk verbeteren. Het gebruik van bedrade of draadloos verbonden LED-verlichting in slimme steden en industrie 4.0-faciliteiten kan de lopende onderhouds- en operationele kosten verlagen, naast een vermindering van het energieverbruik. Er zijn uitgebreide ontwikkelingsplatforms beschikbaar om het ontwerp en de invoering van slimme aangesloten LED-verlichtingsoplossingen te helpen versnellen.