Pentru a fi cât mai eficiente, aceste sisteme de iluminat cu LED au nevoie de un controler care să dispună de diverse moduri de operare, funcții de detectare și protecție, plus o eficiență ridicată și o gamă largă de tensiuni de operare de la 90 la 300 VAC (curent alternativ), împreună cu un factor de putere (PF) ridicat și o distorsiune armonică totală (THD) redusă. În plus, sunt necesare un microcontroler (MCU), un concentrator de date și un emițător-receptor wireless pentru a completa sistemul. Proiectarea de la zero a unui sistem wireless de control al iluminatului cu LED-uri este o sarcină multidisciplinară, care implică un nivel de risc semnificativ și poate întârzia lansarea pe piață.
În schimb, creatorii pot utiliza platforme de dezvoltare pre-proiectate pentru controlul iluminatului cu LED-uri. Aceste platforme sunt foarte eficiente din punct de vedere energetic, cu un PF ridicat și dispun de comenzi wireless cuprinzătoare (pornit/oprit, atenuare și alte moduri) și de mai multe canale de LED-uri controlate independent, care oferă o flexibilitate maximă de proiectare. Acestea includ module de comunicații wireless care acceptă protocoale precum Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee și 6LoWPAN. În plus, acestea sunt susținute de medii de dezvoltare care includ firmware personalizabil, Free RTOS și diverse cazuri de utilizare.
Acest articol face mai întâi o trecere în revistă a operării de bază a LED-urilor și a construcției de corpuri de iluminat, precum și a parametrilor pentru măsurarea eficienței LED-urilor și a corpurilor de iluminat. Se discută despre utilizarea șunturilor pentru a maximiza fiabilitatea și performanța corpurilor de iluminat în aplicațiile de tip Smart City și Industry 4.0. Apoi, prezintă platformele de dezvoltare pentru comanda și controlul iluminatului cu LED-uri, precum și componentele aferente, de la STMicroelectronics și onsemi, împreună cu considerații privind proiectarea și implementarea.
Controlul inteligent al iluminatului cu LED-uri începe cu verificarea interacțiunii dintre LED-urile din fiecare șir pentru a optimiza performanța corpului de iluminat. Acesta include, de asemenea, conversia inteligentă a puterii și se extinde la controlul wireless al mai multor corpuri de iluminat, incluzând atât hardware, cât și software, pentru a maximiza performanța rețelelor de iluminat stradal și industrial.
Figura 1: Două șiruri a câte 16 LED-uri fiecare pentru utilizarea în corpurile de iluminat inteligente. (© onsemi)
Un corp de iluminat tipic cu LED-uri include mai multe LED-uri în serie, dispuse în unul sau mai multe șiruri. Fiecare LED necesită o tensiune de comandă de aproximativ 3,5 V. Un șir conține, de obicei, între 10 și 30 de LED-uri și are o tensiune de alimentare cuprinsă între 40 și 100 V, absorbind un curent de aproximativ 0,35 până la 1,0 amperi (A), în funcție de luminozitatea LED-urilor individuale (vezi figura 1).
Luminozitatea surselor de lumină este cuantificată în lumeni (lm), care măsoară luminozitatea aparentă percepută de 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 per watt (lm/W). LED-urile au o eficacitate mai mare decât alte tehnologii de iluminat obișnuite. Totuși, nu toate LED-urile sunt la fel de eficiente, iar unele au o eficacitate semnificativ mai mare față de altele. În plus, un anumit LED poate produce mai multă lumină dacă este alimentat cu mai mult curent.
LED-urile sunt mai fiabile decât alte tehnologii de iluminat, dar nu sunt perfecte. LED-urile se pot defecta, în special dacă sunt solicitate puternic într-un corp de iluminat de înaltă performanță, cum ar fi cele utilizate în iluminatul stradal și în iluminatul industrial. Defecțiunea LED-ului poate fi un scurtcircuit sau un circuit deschis. Dacă un LED dintr-un șir cedează în condiții de scurtcircuit, acesta se stinge, dar celelalte LED-uri din șir continuă să funcționeze. Curentul continuă să circule prin LED-ul scurtcircuitat, încălzindu-l până la punctul în care poate deveni un circuit deschis, ceea ce face ca întregul șir să se stingă.
Șuntarea LED-urilor
Figura 2: Fără șunturi (de ocolire) defectarea unui singur LED duce la pierderea întregului șir (stânga). Cu ajutorul șunturilor, doar LED-ul defect se stinge, iar celelalte LED-uri din șir continuă să funcționeze (dreapta). (© onsemi)
Proiectanții de corpuri de iluminat cu LED-uri sunt provocați să livreze mai mulți lumeni în corpuri de iluminat mai mici. Acest lucru necesită adesea ca LED-urile să opereze la temperaturi mai ridicate pentru perioade lungi de timp ceea ce poate duce la defecțiuni ale LED-urilor. Corpurile de iluminat stradal, în special, ar trebui să aibă o durată de viață de până la 15 ani. Șunturile pot ajuta la armonizarea 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 LED-ul și menține funcționarea normală a șirului, doar LED-ul defect fiind stins (vezi figura 2).
Figura 3: Sunt disponibile șunturi pentru LED-uri (în interiorul zonelor punctate) care pot șunta 1 (stânga) sau 2 (dreapta) LED-uri. (© onsemi)
Sunt disponibile șunturi care pot fi utilizate pentru a ocoli unul sau două LED-uri, în funcție de necesitățile de proiectare a corpului de iluminat (vezi figura 3). Șuntarea fiecărui LED presupune o scădere minimă a luminozității în cazul în care un LED cedează, în timp ce șuntarea a două LED-uri reduce la jumătate numărul de șunturi pentru soluții mai sensibile la costuri. De exemplu, NUD4700SNT1G de la onsemi poate fi utilizat pentru a șunta LED-uri individuale dintr-un șir, iar acesta se resetează automat dacă LED-ul își reia funcționarea sau este înlocuit. LBP01-0810B de la STMicroelectronics poate “ocoli” 1 sau 2 LED-uri, sporind flexibilitatea de proiectare și reducând numărul de piese. LBP01-0810B oferă, de asemenea, protecție la supratensiune împotriva sarcinilor definite în IEC 61000-4-2 și IEC 61000-4-5.
Iluminatul stradal inteligent
Proiectanții de sisteme inteligente pentru iluminat stradal pot apela la placa STEVAL-LLL006V1 de la STMicroelectronics în vederea evaluării opțiunilor pentru iluminatul cu LED-uri de mare putere (vezi figura 4). Controlerul integrat HVLED001A pentru iluminatul cu LED-uri include diverse moduri de operare, mecanisme de detecție și protecție și formează un convertor de putere inteligent și eficient folosind MOSFET-uri STP21N90K5. Această placă de comandă pentru LED-uri utilizează convertorul de înaltă tensiune VIPER012LSTR pentru a asigura o ieșire de la 60 la 110 VDC (curent continuu) cu un curent constant de 0,7 A.
Figura 4: Placa de dezvoltare pentru iluminat cu LED-uri STEVAL-LLL006V1 face parte dintr-o platformă care include managementul puterii și conectivitate wireless. (© STMicroelectronics)
Pentru a satisface nevoile aplicațiilor inteligente de iluminat stradal, driverul are o plajă de intrare de la 90 la 300 VAC, un PF de peste 0,97 și un THD sub 15%. Modulul emițător-receptor SPSGRFC sub-1 GigaHertz (GHz) încorporat poate fi utilizat pentru a primi comenzi de pornire, oprire și atenuare a intensității luminoase și pentru a le trimite către microcontrolerul STM32L071KZ integrat pe placă. Acesta suportă cinci niveluri de reglaj analogic.
Instrumente de dezvoltare
Pentru a accelera procesul de dezvoltare și a evidenția funcționalitatea plăcii de evaluare STEVAL-LLL006V1, sunt disponibile un concentrator de date (DCU) și o aplicație mobilă pentru Android. DCU este un mediu de evaluare integrat construit pe platforma NUCLEO-F401RE. Acesta include o placă X-NUCLEO-IDB05A2 pentru comunicația cu un dispozitiv mobil prin Bluetooth. STMicroelectronics oferă, de asemenea, aplicația mobilă 6LoWPAN Smart Streetlight, care poate fi utilizată pentru a forma o rețea de controlere inteligente de iluminat stradal și pentru a evalua funcționalitatea rețelei.
Iluminat industrial cu LED-uri
Soluțiile de iluminat industrial cu LED-uri pot fi prototipate cu ajutorul platformei de iluminat LIGHTING-1-GEVK de la onsemi. Această platformă de dezvoltare dispune de control wireless, posibilitatea de a alege între utilizarea unei surse de alimentare off-line de curent alternativ/continu sau a unei surse opționale de alimentare prin Ethernet (PoE), de un modul LED și un driver de LED, precum și de un modul de conectivitate BLE pentru a conecta totul. Opțiunile de control disponibile includ utilizarea aplicației mobile RSL10 Sense and Control de la onsemi sau a unui client web. Această platformă de dezvoltare include Free RTOS, un CMSIS-Pack cu firmware personalizabil și mai multe cazuri de utilizare pentru a începe să explorați utilizarea soluțiilor de iluminat industrial cu LED-uri.
Figura 5: Kitul de dezvoltare de bază include un driver dual LED, un șir dublu de LED-uri, o sursă de alimentare AC/DC și un modul de conectivitate BLE. (© onsemi)
Kitul de bază LIGHTING-1-GEVK include un driver dual LED, o placă LED cu două șiruri de LED-uri, o sursă de alimentare AC/DC și un modul de comunicație BLE (vezi figura 5). Un modul de alimentare PoE este disponibil separat, acesta putând livra până la 90 W. Unele specificații cheie ale diferitelor plăci din kit includ:
- Dual LED driver: include două drivere de LED FL7760 care livrează până la 25 W fiecare, cu o eficiență de până la 96%, atenuare în 4.000 de trepte până la 0,6%, date de telemetrie, inclusiv măsurători de curent și tensiune pentru fiecare driver de LED și un conector pentru modulul plug-in cu microcontroler pentru a susține conectivitatea wireless.
- Placă LED: două canale independente cu câte 16 LED-uri pe fiecare canal. Un canal are LED-uri cu o putere nominală de 121 lm, iar celălalt canal are LED-uri cu o putere nominală de 95 lm, pentru o luminozitate totală disponibilă de 7.000 lm.
- Sursă de alimentare AC/DC: include două controlere flyback pentru stabilizare pe partea primară FL7740 cu PFC, operează într-o plajă de intrare cuprinsă între 90 și 270 VAC, dezvoltă o putere de 70 W la 55 V pentru a alimenta placa de comandă a LED-urilor, cu un PF de peste 0,99 și o eficiență de peste 91%.
- Modul BLE: Platforma de iluminat utilizează trei servicii BLE; serviciul de control al iluminatului, utilizat de dispozitivele conectate pentru a citi și a schimba de la distanță starea LED-urilor, serviciul de telemetrie utilizat de dispozitivele conectate pentru a monitoriza tensiunea și curentul din driverele LED și serviciul de furnizare a alimentării PoE, care oferă informații despre limitele de putere PoE impuse dispozitivului de către injectorul de putere PoE.
Plăci de expansiune
Pentru kitul LIGHTING-1-GEVK sunt disponibile două plăci de expansiune și anume switch-ul BLE-SWITCH001-GEVB pentru recoltarea energiei și placa multisenzor MULTI-SENSE-GEVB (vezi figura 6). Luminozitatea LED-urilor poate fi controlată cu ajutorul switch-ului BLE. Luminozitatea crește atunci când switch-ul este apăsat și ținut apăsat. Intensitatea luminii rămâne constantă atunci când switch-ul este eliberat sau când este atinsă luminozitatea maximă. Luminozitatea este redusă prin apăsarea switch-ului a doua oară. Placa multisenzor suportă prototiparea sistemelor care includ un senzor de lumină ambientală, senzori de mediu și/sau un senzor inerțial de mișcare.
Figura 6: Două plăci de expansiune sunt disponibile pentru kitul LIGHTING-1-GEVK, un switch BLE și o placă multisenzor (imaginea din partea de sus). (© onsemi)
Opțiuni de proiectare și implementare
Corpurile de iluminat stradal cu LED-uri și corpurile de iluminat industrial aduc noi oportunități de regândire a proiectării și implementării rețelelor de iluminat. Spre deosebire de tehnologiile înlocuite de acestea, LED-urile sunt reglabile, ceea ce creează oportunități de proiectare a orașelor inteligente și a instalațiilor inteligente din Industrie 4.0 care integrează diverși factori, cum ar fi tiparele de trafic/utilizare, ora din zi și chiar o suită de senzori, pentru a optimiza nivelurile de iluminare în funcție de necesități.
Într-un oraș inteligent, rețelele mesh wireless sunt o alegere naturală, dar în instalațiile din Industrie 4.0, controlul poate fi implementat cu conectivitate wireless sau Ethernet. Acesta din urmă, are avantajul de a furniza atât energie, cât și comunicație. În ambele cazuri, senzorii de temperatură, umiditate și chiar senzorii de cameră pot fi integrați în corpurile de iluminat, sporind funcționalitatea acestora. În plus, condițiile de funcționare a corpurilor de iluminat în sine, cum ar fi temperaturile interne, LED-urile scurtcircuitate sau deschise și alți factori, pot fi monitorizate 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 LED-uri interconectate fiabil și eficient începe cu proiectarea corpurilor de iluminat. LED-urile trebuie să fie selectate pentru a oferi nivelul optim de lumeni, iar utilizarea șunturilor poate îmbunătăți semnificativ fiabilitatea și performanța corpurilor de iluminat. Utilizarea iluminatului cu LED-uri conectate prin cablu sau wireless în orașele inteligente și în instalațiile din industria 4.0 poate reduce costurile curente de întreținere și de funcționare, pe lângă reducerea consumului de energie. Sunt disponibile platforme complete de dezvoltare pentru a ajuta la accelerarea proiectării și implementării soluțiilor inteligente de iluminat cu LED-uri.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro
