LED-es világítást vezérlő vezeték nélküli eszközök használata az intelligens városokban és ipari létesítményekben

A vezeték nélküli vezérléssel ellátott LED-es világítási rendszerek használata egyre elterjedtebb az intelligens városokban és az Ipar 4.0-s környezetekben, ugyanis többféle előnnyel jár, beleértve a kisebb energiaköltségeket (és a szén-dioxid-kibocsátás ennek megfelelő csökkentését), a szabályozható világítási szinteket, valamint a LED-es világtótestek nagyobb megbízhatóságából és hosszabb élettartamából fakadó alacsonyabb karbantartási költségeket. Ahhoz, hogy ezek a LED-es világítási rendszerek a legjobb hatásfokúak legyenek, olyan világításvezérlő egységre van szükség, amelynek különböző üzemmódjai, valamint érzékelési és védelmi funkciók vannak, és jó hatásfokkal működik széles, 90 V és 300 V közötti üzemi váltakozófeszültség-tartományban (V_AC), magas teljesítménytényezővel (cos φ) és kis teljes harmonikus torzítással (THD, total harmonic distortion). Ezenkívül a rendszer teljessé tételéhez szükség van még egy mikrovezérlőre (MCU), egy adatkoncentrátorra és egy vezeték nélküli adó-vevőre. A LED-es világítást vezérlő vezeték nélküli rendszerek nulláról induló tervezése több tudományágat érintő feladat, amely jelentős kockázatot rejt, és késleltetheti a piacra kerülést.

Ehelyett a tervezők használhatnak használatra kész, hálózatra kapcsolt, a LED-es világítás vezérlésének fejlesztésére szolgáló fejlesztőplatformokat. Ezek a platformok rendkívül energiatakarékosak, magas teljesítménytényezőjűek (cos φ-értékűek), és átfogó vezeték nélküli vezérlést (be- és kikapcsolás, fényerő-szabályozás és egyéb üzemmódok) tesznek lehetővé, valamint több egymástól függetlenül vezérelt LED-meghajtó csatornájuk van, ami így együtt nagyfokú tervezési rugalmasságot tesz lehetővé. Olyan vezeték nélküli kommunikációs modulokat tartalmaznak, amelyek támogatják az olyan protokollokat, mint a BLE (Bluetooth low energy, kis fogyasztású Bluetooth), a Zigbee és a 6LoWPAN. Emellett olyan fejlesztési környezetek is segítik az ilyen irányú fejlesztéseket, amelyek testreszabható firmware-t (belső vezérlőprogramot) és a gyakorlatban bevált különböző felhasználási megoldásokat tartalmaznak, és használható a fejlesztéshez az ingyenes Free RTOS valós idejű operációs rendszer is.

Ez a cikk a LED-ek működési alapelveinek ismertetésével és a világítótestek felépítésének áttekintésével, valamint a LED-ek és világítótestek hatásfokának mérésére szolgáló mérőszámokkal kezdődik. Ezenkívül tárgyalja, hogy miért érdemes söntáramköröket (áthidaló áramköröket) használni ahhoz, hogy az intelligens városi és Ipar 4.0-s felhasználási területeken a lehető legnagyobbra növeljük a világítótestek megbízhatóságát és teljesítményét. Ezután bemutatja az STMicroelectronics és az onsemi használatra kész, hálózatra kapcsolódó LED-világítás-meghajtó és -vezérlő fejlesztőplatformjait és az azokhoz kapcsolódó alkatrészeket, valamint a tervezési és kiépítési szempontokat.

Az intelligens LED-világítás-vezérlés az egy világítótestben lévő egyes LED-ek közötti kölcsönhatás szabályozásával kezdődik, hogy optimalizáljuk a világítótestek teljesítményét. Ez magában foglalja az intelligens áramátalakítást is, és kiterjed több világítótest vezeték nélküli vezérlésére, beleértve a hardvert és a szoftvert is, hogy a lehető legnagyobbra növelje a közvilágítási és ipari világítási hálózatok teljesítményét.

Egy jellegzetes LED-es világítótest egy vagy több LED-füzért tartalmaz, és minden LED-füzért több sorba kötött LED alkot. Minden egyes LED körülbelül 3,5 V meghajtófeszültséget igényel. Egy LED-füzér általában 10–30 LED-ből áll, 40–100 V tápfeszültségről működik, és az egyes LED-ek fényerejétől függően körülbelül 0,35–1,0 A áramot vesz fel (1. ábra).

1. ábra: Két, egyenként 16 LED-ből álló, intelligens világítótestekben való használatra szánt LED-füzér alkotta LED-kártya (kép: onsemi)

A fényforrások fényerejét lumenben (lm) mérik. Ez a mértékegység az emberi szem számára látható fényerőt mutatja, és figyelembe veszi a szem érzékenységét a látható fény különböző hullámhosszúságú hullámaira. Azt a jellemzőt, amely azt adja meg, hogy a fényforrás adott teljesítmény hatására milyen erős fény bocsát ki (hány lument állít elő), hatásfoknak nevezzük, és lumen/watt (lm/W) mértékegységgel mérjük. A LED-ek hatásfoka nagyobb, mint más elterjedt világítási technikáké. Nem minden LED hatásfoka egyforma azonban, sőt, egyes LED-eké jelentősen magasabb, mint másoké. Ezenkívül ugyanaz a LED több fényt bocsát ki, ha nagyobb árammal hajtják meg.

A LED-ek megbízhatóbbak, mint más világítási technikák, de nem tökéletesek. A LED-ek is meghibásodhatnak, különösen akkor, ha nagy fényerejű, például a közvilágításban és az ipari világításban használt világítótestekben nagy teljesítménnyel hajtják meg őket. A LED meghibásodásának jellege lehet rövidzár vagy szakadás. Ha a LED-füzér egyik LED-je rövidzár miatt hibásodik meg, akkor elsötétül, de a füzér többi LED-je tovább működik. A zárlatos LED-en továbbra is keresztülfolyik az áram, és olyan mértékben felmelegítheti, hogy az az áramkör szakadását okozhatja, aminek hatására az egész LED-füzér elsötétül.

A LED-ek áthidalása (söntölése)

A LED-es világítótestek tervezőinek nagy feladatot jelent, hogy kisebb világítótestekkel minél nagyobb fényerőt érjenek el. Ez gyakran azt követeli meg, hogy a LED-ek hosszabb ideig magasabb hőmérsékleten működjenek, ami a LED-ek meghibásodásához vezethet. Nevezetesen a közvilágítási világítótestek élettartama várhatóan legfeljebb 15 év lesz. A söntáramkörök (vagy áthidaló áramkörök) segíthetnek összeegyeztetni a magasabb üzemi hőmérsékletre és a hosszabb élettartamra vonatkozó, egymásnak ellentmondó követelményeket. Amikor egy LED szakadás révén hibásodik meg, ahelyett, hogy a teljes LED-füzér elsötétülne, a söntáramkör megkerüli az adott LED-et, és a LED-füzér normálisan működik tovább, csak a meghibásodott LED sötétül el (2. ábra).

2. ábra: Söntáramkörök (áthidaló áramkörök) nélkül egyetlen LED meghibásodása a teljes LED-füzér elvesztését eredményezi (balra). Söntáramkörök használatával csak a meghibásodott LED sötétül el, és a LED-füzér többi LED-je továbbra is működik (jobbra) (kép: onsemi)

A világítótest kialakítására vonatkozó igényektől függően használhatóak egy vagy két LED megkerülésére szolgáló söntáramkörök (3. ábra). Ha mindegyik LED-et áthidaljuk (söntöljük), akkor egy LED meghibásodása kisebb fényerőcsökkenéssel jár (csak egy LED esik ki), két LED söntölése viszont (bár ekkor két LED esik ki) felére csökkenti a szükséges söntáramkörök számát, ami a költségérzékenyebb megoldások esetében jön jól. Az onsemi NUD4700SNT1G jelű eszköze például egy LED-füzér minden egyes LED-jének áthidalására használható, és ha a LED újra működőképessé válik vagy kicserélik, a söntáramkör automatikusan visszaáll alaphelyzetbe. Az STMicroelectronics LBP01-0810B jelű eszköze 1 vagy 2 LED áthidalására alkalmas, ami növeli a tervezési rugalmasságot, és csökkenti az alkatrészszámot. Az LBP01-0810B az IEC 61000-4-2 és az IEC 61000-4-5 szabványban meghatározott túlfeszültség elleni védelmet is biztosítja.

3. ábra: A LED-áthidaló söntáramkörökkel (a szaggatott vonallal jelölt téglalapok belsejében) 1 (balra) vagy 2 (jobbra) LED-et lehet áthidalni (kép: onsemi)

Intelligens közvilágítás

Az intelligens közvilágítási rendszerek tervezői a nagy teljesítményű LED-es világítás lehetőségeinek értékeléséhez használhatják az STMicroelectronics STEVAL-LLL006V1 jelű fejlesztőkártyáját (4. ábra). A HVLED001A LED-világítás-vezérlő IC különböző üzemmódokat, érzékelési és védelmi mechanizmusokat tartalmaz, és az STP21N90K5 MOSFET-ek használatával intelligens és jó hatásfokú áramátalakítót lehet vele létrehozni. Ez a LED-meghajtó kártya a VIPER012LSTR hálózati nagyfeszültségű áramátalakító IC-t használva állít elő 60–110 V kimenő egyenfeszültséget (DC) 0,7 A állandó áramerősséggel. Hogy kielégítse az intelligens közvilágítási eszközök támasztotta igényeket, a meghajtó bemeneti feszültségtartománya 90–300 V váltakozó feszültség (V_AC), 0,97 feletti a teljesítménytényezője (cos φ), és 15% alatti a teljes harmonikus torzítása (THD). A beágyazott, 1 GHz alatti frekvencián működő SPSGRFC adó-vevő modul a be- és kikapcsolási, valamint a fényerőszabályozási parancsok fogadására és azoknak az STM32L071KZ mikrovezérlő IC-re továbbítására szolgál. A kártya ötfokozatú analóg fényerőszabályozást tesz lehetővé.

4. ábra: A LED-es világítás fejlesztésére szolgáló STMicroelectronics STEVAL-LLL006V1 fejlesztőkártya egy olyan platform része, amely energiagazdálkodást és vezeték nélküli kommunikációt is lehetővé tesz (kép: STMicroelectronics)

Fejlesztőeszközök

A fejlesztési folyamat felgyorsítása és a STEVAL-LLL006V1 fejlesztőkártya funkcióinak kiemelése érdekében elérhető egy adatkoncentrátor (DCU) és egy Android rendszeren használható mobilalkalmazás is. A DCU a NUCLEO-F401RE platformra épülő összeépített (integrált) fejlesztőkörnyezet. A fejlesztőkörnyezet részét képezi egy X-NUCLEO-IDS01A4 kártya a STEVAL-LLL006V1 fejlesztőkártyával való, 1 GHz alatti frekvencián történő kommunikációhoz és egy X-NUCLEO-IDB05A2 kártya a mobil eszközökkel való Bluetooth-kommunikációhoz. Az STMicroelectronics emellett kínálja még a 6LoWPAN Smart Streetlight mobilalkalmazást is, amely intelligens közvilágítás-vezérlési hurkos hálózat kialakítására és a hálózati funkciók értékelésére használható.

LED-es ipari világítás

Az onsemi LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform (hálózatra kapcsolódó világítási platform) segítségével prototípusokat lehet készíteni a hálózatra kapcsolódó LED-es ipari világítási megoldásokhoz. A fejlesztőplatform jellemzői: vezeték nélküli vezérlés, választható hálózati tápegység vagy külön rendelhető PoE (Etherneten át történő áramellátás, Power over Ethernet) áramellátás, LED-modul, LED-meghajtó modul, valamint BLE (kis fogyasztású Bluetooth) kommunikációs modul, hogy mindent össze lehessen kötni egymással. Választható vezérlési lehetőségek: az onsemi RSL10 Sense and Control mobilalkalmazás vagy egy webes ügyfélprogram használata. A fejlesztőplatform része az ingyenes Free RTOS valós idejű operációs rendszer, egy CMSIS-csomag (CMSIS: Common Microcontroller Software Interface Standard, szabványos közös mikrovezérlős szoftveres illesztőfelület) testreszabható firmware-rel, valamint számos a gyakorlatban bevált felhasználási mód, hogy segítse a hálózatra kapcsolt LED-es ipari világítási megoldások használatának felfedezését.

A LIGHTING-1-GEVK alapkészlet egy kettős (két LED-füzér meghajtására alkalmas) LED-meghajtót tartalmaz, valamint egy LED-kártyát két LED-füzérrel, egy hálózati tápegységet és egy BLE kommunikációs modult (5. ábra). Külön kapható hozzá PoE tápegység, amely akár 90 W teljesítmény leadására is képes. A készletben található különböző kártyák néhány fontosabb műszaki adata:

• Kettős LED-meghajtó: két FL7760 LED-meghajtót tartalmaz, amelyek egyenként maximum 25 W teljesítményt adnak le akár 96%-os hatásfokkal, 4000 fokozatú fényerő-szabályozással egészen 0,6%-ig, és telemetriai adatokat szolgáltatnak, beleértve az egyes LED-meghajtók áramerősség- és feszültségértékeit, valamint egy csatlakozót a vezeték nélküli kommunikációt támogató rádugható mikrovezérlő modul számára.
• LED-kártya: két független csatorna (LED-füzér), 16 LED-del minden csatornában. Az egyik csatorna 121 lm, a másik csatorna pedig 95 lm névlegyes fényerejű LED-eket tartalmaz, így a teljes fényerő 7000 lm.
• Hálózati tápegység: két FL7740 primeroldali szabályozású visszafutásos áramátalakítót tartalmaz teljesítménytényező-javítással, 90 V és 270 V váltakozó feszültség (V_AC) közötti bemenőfeszültség-tartományban működik, 55 V kimenőfeszültség esetén 70 W kimenőteljesítmény leadására képes, amely a LED-meghajtó kártya tápfeszültségeként szolgál; a teljesítménytényező (cos φ) értéke 0,99 fölött, míg a hatásfok 91% fölött van.
• BLE modul: a hálózatra kapcsolt világítási platform három BLE-szolgáltatást használ: a világításvezérlési szolgáltatást a hálózatra kapcsolt eszközök használják a LED-ek állapotának távoli leolvasására és módosítására, a telemetriát pedig a LED-meghajtók feszültségének és áramerősségének figyelésére, ezenkívül pedig a PoE-áramellátó szolgáltatás adatokat szolgáltat arról, hogy milyen a PoE-áramellátási korlátokat szab az eszközre a PoE-tápegység (más néven PoE-injektor).

5. ábra: Az alapszintű fejlesztőkészlet részei: egy kettős (két LED-füzér meghajtására alkalmas) LED-meghajtó, egy két LED-füzért tartalmazó kártya, egy hálózati tápegység és egy BLE kommunikációs modul (kép: onsemi)

Bővítőkártyák

A LIGHTING-1-GEVK készlethez két bővítőkártya tartozik, a BLE-SWITCH001-GEVB energiakicsatoló BLE-kapcsoló és a MULTI-SENSE-GEVB többérzékelős kártya (6. ábra). A LED fényereje a BLE-kapcsolóval szabályozható. A kapcsolót lenyomva tartva a fényerő nő. A kapcsolót elengedve, illetve a legnagyobb fényerő elérése után a fényerő állandó marad. A fényerő a kapcsoló második megnyomásával csökkenthető. A többérzékelős kártya a környezeti fényérzékelőt, környezeti érzékelőket vagy tehetetlenségi (inerciális) mozgásérzékelőt tartalmazó rendszerek prototípusának elkészítését segíti.

6. ábra: A LIGHTING-1-GEVK készlethez két bővítőkártya tartozik, egy BLE-kapcsoló és egy többérzékelős kártya (felső zöld szegélyű téglalap) (kép: onsemi)

Tervezési és kiépítési lehetőségek

A közvilágítási és ipari LED-es világítótestek új lehetőségeket kínálnak a világítási hálózatok tervezésének és kiépítésének újragondolására. Azokkal a technikákkal ellentétben, amelyeket általában LED-ekre cserélnek, a LED-ek fényereje szabályozható, ami lehetőséget teremt olyan intelligens városok és intelligens Ipar 4.0-s létesítmények tervezésére, amelyek a világítási szintek szükség szerinti optimalizálása érdekében tekintetbe vesznek különböző tényezőket, például a forgalmi és használati szokásokat és a napszakot, és emellett többféle érzékelőt is használnak.

Az intelligens városokban a vezeték nélküli hurkos hálózatok természetes választásnak számítanak, de az Ipar 4.0-s létesítményekben a vezérlés vezeték nélküli, de vezetékes Ethernet-kapcsolattal is megvalósítható. Az Ethernet előnye, hogy a kommunikáció mellett lehetővé teszi az áramellátást is. A világítótestekbe mindkét esetben beépíthetők hőmérséklet- és páratartalom-érzékelők, de akár még kamerák is, bővítve ezzel a világítótestek funkcióit. Ezenkívül maguknak a világítótesteknek az üzemi körülményei, például a belső hőmérséklet, a zárlatos vagy szakadt LED-ek és egyéb tényezők is nyomon követhetők, hogy segítsék a megelőző karbantartás ütemezését és az üzemeltetési költségek csökkentését.

Összegzés

Mint látható, a hálózatra kapcsolt megbízható és jó hatásfokú LED-es világítási rendszerek tervezése a világítótestek tervezésével kezdődik. A LED-eket úgy kell kiválasztani, hogy biztosítsák az optimális fényerőt (lumen), a söntáramkörök (áthidalások) használata pedig jelentősen javíthatja a világítótestek megbízhatóságát és teljesítményét. A vezetékes úton vagy vezeték nélkül hálózatra kapcsolt vezérlésű LED-es világítás használata az intelligens városokban és az Ipar 4.0-s létesítményekben a fogyasztás csökkentése mellett csökkentheti a karbantartási és üzemeltetési költségeket is. Ehhez elérhetők olyan átfogó fejlesztési platformok, amelyek segítenek felgyorsítani a hálózatra kapcsolt vezérlésű intelligens LED-es világítási megoldások tervezését és bevezetését.