Projektowanie

Wdrażanie bezprzewodowego sterowania oświetleniem LED w systemach inteligentnych

Popyt na systemy oświetlenia ze sterowaniem bezprzewodowym w systemach inteligentnych intensywnie rośnie, ponieważ niesie ze sobą wiele korzyści, takich jak niższe koszty energii, możliwość sterowania poziomem oświetlenia i niższe koszty konserwacji.

Do uzyskania maksymalnej efektywności systemy oświetleniowe LED wymagają kontrolera oświetlenia z różnymi trybami pracy, funkcjami pomiarowymi i zabezpieczającymi, charakteryzującego się wysoką sprawnością i szerokim zakresem napięć roboczych od 90 do 300V~ oraz wysokim współczynnikiem mocy (PF) i niskim całkowitym współczynnikiem zawartości harmonicznych (THD). Ponadto system wymaga mikrokontrolera (MCU), koncentratora danych i bezprzewodowego nadajniko-odbiornika. Projektowanie bezprzewodowego systemu sterowania oświetleniem LED od podstaw to zadanie multidyscyplinarne, które niesie ze sobą znaczny poziom ryzyka i może opóźnić czas wprowadzenia produktu na rynek.

Projektanci mogą tego uniknąć, korzystając z wstępnie opracowanych połączonych platform rozwojowych do sterowania oświetleniem LED. Platformy te są bardzo energooszczędne, charakteryzują się wysokim współczynnikiem mocy (PF) i oferują uniwersalne sterowanie bezprzewodowe (włączanie-wyłączanie, regulacja jasności i inne tryby) oraz wiele niezależnie sterowanych kanałów LED, które zapewniają maksymalną elastyczność projektowania. Zawierają one moduły komunikacji bezprzewodowej, które obsługują takie protokoły, jak Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee i 6LoWPAN. Ponadto są obsługiwane przez środowiska rozwojowe, które obejmują konfigurowalne oprogramowanie układowe, system operacyjny czasu rzeczywistego FreeRTOS i różne możliwości zastosowań.

Na początku tego artykułu przedstawiono przegląd podstawowych zasad działania diod LED i konstrukcji opraw, a także wskaźniki do pomiaru sprawności diod LED i opraw. Omówiono użycie boczników w celu maksymalizacji niezawodności i parametrów działania opraw oświetleniowych w inteligentnych miastach i zastosowaniach Przemysłu 4.0. Przedstawiono również wstępnie opracowane połączone platformy rozwojowe oświetlenia i sterowania oświetleniem LED oraz powiązane komponenty firm STMicroelectronics i onsemi, a także uwagi dotyczące projektowania i wdrażania.

Inteligentne sterowanie oświetleniem LED rozpoczyna się od sterowania interakcjami między diodami LED w poszczególnych ciągach w celu optymalizacji parametrów działania oprawy. Obejmuje również inteligentną konwersję mocy, a nawet bezprzewodowe sterowanie sprzętem i oprogramowaniem wielu opraw, w celu maksymalizacji parametrów działania oświetlenia ulicznego i sieci oświetlenia przemysłowego.

Typowa oprawa LED zawiera wiele diod LED połączonych szeregowo w jednym lub wielu ciągach. Każda dioda LED wymaga napięcia sterującego około 3,5V. Ciąg zwykle zawiera od 10 do 30 diod LED i działa przy zasilaniu od 40 do 100V, pobierając od około 0,35 do 1,0A prądu, w zależności od jasności poszczególnych diod LED (ilustracja 1).

Ilustracja przedstawiająca dwa ciągi po 16 diod LED do użycia w inteligentnych oprawach oświetleniowych

Ilustracja 1: Dwa ciągi po 16 diod LED do użycia w inteligentnych oprawach oświetleniowych. (Źródło ilustracji: onsemi)

Jasność źródeł światła jest podawana w lumenach (lm), będących miarą jasności obserwowanej przez oko ludzkie z uwzględnieniem wrażliwości oka na różne długości fal światła widzialnego. Wydajność z jaką źródło światła emituje lumeny, nazywana jest skutecznością i jest mierzona w lumenach na wat (lm/W). Diody LED mają wyższą skuteczność niż inne popularne technologie oświetleniowe. Jednak nie wszystkie diody LED są tak samo wydajne, niektóre z nich mają znacznie wyższą skuteczność niż inne. Co więcej, dana dioda LED może wytwarzać więcej światła, jeśli jest zasilana większym prądem.

Diody LED są bardziej niezawodne niż inne technologie oświetleniowe, ale nie są idealne. Diody LED mogą zawieść, zwłaszcza jeśli są zasilane dużym prądem, na przykład w oprawach o wysokiej wydajności, stosowanych w oświetleniu ulicznym i przemysłowym. Awaria diody LED może mieć postać zwarcia lub przerwy w obwodzie. Jeśli dioda LED w ciągu ulegnie uszkodzeniu w wyniku zwarcia, gaśnie, ale pozostałe diody LED w łańcuchu nadal działają. Prąd nadal przepływa przez zwartą diodę LED, podgrzewając ją do tego stopnia, że może spowodować przerwę w obwodzie, skutkując zgaśnięciem całego ciągu.

Bocznikowanie diod LED

Projektanci opraw LED stają przed wyzwaniem zapewnienia większej liczby lumenów w mniejszych oprawach. Często wymaga to, aby diody LED działały w wyższych temperaturach przez dłuższy czas, co może spowodować ich awarię. Oczekiwany okres użytkowania opraw, w szczególności ulicznych wynosi do 15 lat. Boczniki obejściowe mogą pomóc w pogodzeniu sprzecznych wymagań dotyczących wyższych temperatur roboczych i wydłużonego okresu użytkowania. Gdy dioda LED ulegnie awarii skutkującej przerwą w obwodzie, ciąg diod nie gaśnie, gdyż bocznik omija diodę LED i utrzymuje normalną pracę ciągu. Gaśnie tylko ta dioda, która uległa awarii (ilustracja 2).

Ilustracja przedstawiająca boczniki obejściowe - gaśnie tylko uszkodzona dioda LED

Ilustracja 2: Gdy brak boczników obejściowych, usterka pojedynczej diody LED powoduje zgaśnięcie całego ciągu (po lewej). W przypadku boczników obejściowych gaśnie tylko uszkodzona dioda LED, a pozostałe diody LED w ciągu nadal działają (po prawej). (Źródło ilustracji: onsemi)

Dostępne są boczniki z możliwością zastosowania do obejścia jednej lub dwóch diod LED, w zależności od potrzeb projektu oprawy (ilustracja 3). Obejście każdej diody LED zapewnia minimalny spadek jasności w przypadku awarii jednej diody LED, natomiast obejście dwóch diod LED zmniejsza o połowę liczbę boczników w bardziej ekonomicznych rozwiązaniach. Na przykład bocznik NUD4700SNT1G firmy onsemi może być używany do obejścia pojedynczych diod LED w ciągu i automatycznie resetuje się, gdy dioda LED wznowi działanie lub zostanie wymieniona. Bocznik LBP01-0810B firmy STMicroelectronics pozwala na obejście 1 lub 2 diod LED, zwiększając elastyczność podczas projektowania i zmniejszając liczbę części. Bocznik LBP01-0810B stanowi również zabezpieczenie nadnapięciowe przed udarami zdefiniowanymi w normach IEC 61000-4-2 i IEC 61000-4-5.

Diagram przedstawiający dostępne boczniki diod LED (w polach oznaczonych linią przerywaną)

Ilustracja 3: Dostępne są boczniki diod LED (w polach oznaczonych linią przerywaną), dzięki którym możliwe jest obejście 1 (po lewej stronie) lub 2 (po prawej stronie) diod LED. (Źródło ilustracji: onsemi)

Strona: 1/2
Następna