Langattoman ledivalaistuksen ohjauksen käyttöönotto älykaupungeissa ja teollisuusrakennuksissa

Langattomalla ohjauksella varustettujen ledivalaistusjärjestelmien käyttö älykaupungeissa ja Teollisuus 4.0 ‑ympäristöissä on kasvussa, koska se tuo mukanaan monia etuja, mukaan lukien alhaisemmat energiakustannukset (ja vastaavan vähennyksen hiilipäästöihin), säädettävän valaistustason ja matalammat kunnossapitokustannukset ledivalaisimien paremman luotettavuuden ja pidemmän käyttöiän ansiosta. Toimiakseen tehokkaimmin nämä ledivalaistusjärjestelmät tarvitsevat valaistuksen ohjauslaitteen, jossa on erilaisia toimintatiloja, tunnistus- ja suojausominaisuudet, korkea hyötysuhde ja laaja käyttöjännitealue (90–300 V_AC) sekä korkea tehokerroin (PF) ja alhainen harmoninen kokonaissärö (THD). Valmiiseen järjestelmään tarvitaan lisäksi mikrokontrolleri (MCU), keskitin ja langaton lähetin-vastaanotin. Langattoman ledivalaistuksen ohjausjärjestelmän suunnittelu puhtaalta pöydältä on monialainen tehtävä, jonka riskitaso on merkittävä ja joka voi viivästyttää markkinoilletuontia.

Suunnittelijat voivat tämän sijasta käyttää valmiiksi suunniteltuja ja verkkoon kytkettäviä ledivalaistuksen ohjauksen kehitysalustoja. Nämä alustat ovat erittäin energiatehokkaita. Niiden PF on korkea, ja niissä on kattavat langattomat ohjaustoiminnot (päälle/pois, himmennys ja muita tiloja) sekä useita itsenäisesti säädettäviä ledikanavia, jotka tarjoavat suurimman mahdollisen suunnittelun joustavuuden. Ne sisältävät langattomia tiedonsiirtomoduuleja, jotka tukevat esimerkiksi Bluetooth low energy (BLE)-, Zigbee- ja 6LoWPAN-protokollia. Lisäksi niitä tukevat kehitysympäristöt, jotka sisältävät mukautettavan laiteohjelmiston, FreeRTOS:n ja erilaisia käyttötapauksia.

Tämän artikkelin alussa tarkastellaan ledien toiminnan perusteita ja valaisinten rakennetta sekä ledivalojen ja valaisimien tehokkuusarvoja. Siinä käsitellään sivupiirien käyttöä valaisimen luotettavuuden ja suorituskyvyn maksimoimiseen älykaupunki- ja Teollisuus 4.0 ‑käyttökohteissa. Tämän jälkeen esitellään valmiiksi suunniteltuja verkkoon kytkettäviä ledivalaistuksen ohjainten ja hallinnan kehitysalustoja sekä niihin liittyviä komponentteja STMicroelectronicsilta ja onsemilta. Lisäksi siinä tarkastellaan suunnittelun ja käyttöönoton näkökohtia.

Älykäs ledivalaistuksen ohjaus alkaa kunkin nauhan ledien välisen vuorovaikutuksen ohjauksella valaisimen suorituskyvyn optimoimiseksi. Se sisältää myös älykkään tehomuunnoksen ja ulottuu aina useiden valaisimien, sekä laitteiden että ohjelmistojen, langattomaan ohjaukseen, millä voidaan maksimoida katuvalaistuksen ja teollisten valaistusverkkojen suorituskyky.

Tyypillinen ledivalaisin sisältää useita ledejä sarjassa yhdessä tai useassa nauhassa. Jokainen ledi tarvitsee noin 3,5 V:n käyttöjännitteen. Nauha sisältää yleensä 10–30 lediä ja toimii 40–100 V:n jännitteellä ja käyttää noin 0,35–1,0 ampeerin (A) virtaa riippuen yksittäisten ledien kirkkaudesta (kuva 1).

Kuva 1: Kaksi älyvalaisimissa käytettävää 16 ledin nauhaa. (Kuvan lähde: onsemi)

Valonlähteiden kirkkaus ilmaistaan luumeneina (lm), jotka mittaavat ihmissilmän aistimaa näennäistä kirkkautta ja ottavat huomioon silmän herkkyyden näkyvän valon eri aallonpituuksille. Tehokkuutta, jolla valonlähde tuottaa luumeneita, kutsutaan valotehokkuudeksi, ja se mitataan luumeneina wattia kohti (lm/W). Ledien valotehokkuus on korkeampi kuin muilla yleisillä valaistustekniikoilla. Kaikki ledit eivät kuitenkaan ole yhtä tehokkaita, ja joidenkin valotehokkuus on huomattavasti muita korkeampi. Lisäksi mikä tahansa ledi voi tuottaa enemmän valoa, jos sitä käytetään suuremmalla virralla.

Ledit ovat muita valaistustekniikoita luotettavampia, mutta ne eivät ole täydellisiä. Ledit voivat vikautua, etenkin jos ne ovat kovassa käytössä korkean suorituskyvyn valaisimessa, kuten katu- ja teollisuusvalaistuksessa käytettävissä valaisimissa. Ledin vikatila voi olla oikosulku tai avoin piiri. Jos nauhassa oleva ledi menee oikosulkuun, se pimenee, mutta nauhan muut ledit toimivat edelleen. Virta kulkee yhä oikosulussa olevan ledin läpi kuumentaen sen siihen pisteeseen, että siitä voi tulla avoin piiri, jolloin koko nauha pimenee.

Ledien sivupiirit

Ledivalaisimien suunnittelijoiden haasteena on tuottaa enemmän luumeneita pienemmillä valaisimilla. Tämä vaatii usein sen, että ledit toimivat pitkiä aikoja korkeammissa lämpötiloissa, mikä voi aiheuttaa ledien vikaantumista. Erityisesti katuvalojen valaisimilta odotetaan jopa 15 vuoden käyttöikää. Ohitussivupiirit voivat auttaa täyttämään korkeampien käyttölämpötilojen ja pitkien käyttöikien ristiriitaiset vaatimukset. Kun ledi vikaantuu avoimeen tilaan, nauhan pimenemisen sijaan sivupiiri ohittaa ledin pitäen nauhan toiminnassa normaalisti, ja vain vikautunut ledi pimenee (kuva 2).

Kuva 2: Ilman ohitussivupiirejä yhden ainoaa ledin vikaantuminen aiheuttaa koko nauhan pimenemisen (vasemmalla). Ohitussivupiireillä varustetussa nauhassa vain vikaantunut ledi pimenee ja nauhan muut ledit toimivat edelleen (oikealla). (Kuvan lähde: onsemi)

Saatavana on sivupiirejä, joilla voidaan ohittaa yksi tai kaksi lediä valaisimen rakenteen tarpeiden mukaan (kuva 3). Jokaisen ledin ohittaminen aiheuttaa pienimmän mahdollisen kirkkauden vähenemisen ledin vikaantuessa, kun taas kahden ledin ohitus puolittaa tarvittavien sivupiirien määrän edullisemmissa ratkaisuissa. Esimerkiksi onsemin NUD4700SNT1G-sivupiiriä voidaan käyttää nauhan yksittäisten ledien ohittamiseen, ja se nollautuu automaattisesti, jos ledi alkaa taas toimia tai se vaihdetaan. STMicroelectronicsin LBP01-0810B voi ohittaa joko 1 tai 2 lediä, mikä lisää suunnittelun joustavuutta ja vähentää osien lukumäärää. LBP01-0810B tarjoaa myös ylijännitesuojan IEC 61000-4-2- ja IEC 61000-4-5 -standardeissa kuvailtuja jännitepiikkejä vastaan.

Kuva 3: Saatavana on ledisivupiirejä (pisteviivalaatikoiden sisällä), joilla voidaan ohittaa 1 (vasen) tai 2 (oikea) lediä. (Kuvan lähde: onsemi)

Älykäs katuvalaistus

Älykkäiden katuvalaistusjärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää STMicroelectronicsin STEVAL-LLL006V1-korttia suuritehoisen ledivalaistuksen vaihtoehtojen arvioimiseen (kuva 4). Integroitu HVLED001A ledivalaistusohjain sisältää erilaisia toimintatiloja, tunnistus- ja suojausmekanismeja sekä tarjoaa älykkään ja tehokkaan tasasuuntaajan STP21N90K5-MOSFET-transistoreiden avulla. Tämä lediohjainkortti käyttää integroitua VIPER012LSTR-offline-korkeajännitetasasuuntaajapiiriä tuottaakseen 60–110 V:n tasavirran (DC) 0,7 A:n vakiovirralla. Älykkäiden katuvalaistussovelluksien vaatimuksia varten ohjaimen tulojännite on 90–300 V_AC, PF yli 0,97 ja THD alle 15 %. Sulautettua alle gigahertsin (GHz) taajuudella toimivaa SPSGRFC-lähetin-vastaanotinmoduulia voidaan käyttää vastaanottamaan päälle/pois- ja himmennyskomentoja ja lähettämään ne integroidulle STM32L071KZ-mikrokontrollerille. Se tukee viittä analogista himmennystasoa.

Kuva 4: Ledivalaistuksen STEVAL-LLL006V1-kehityskortti on osa alustaa, joka sisältää virranhallinnan ja langattoman verkkoyhteyden. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kehitystyökalut

Kehitysprosessin nopeuttamiseksi ja STEVAL-LLL006V1-arviointikortin toiminnallisuuden korostamiseksi on saatavana keskitinyksikkö (DCU) ja Android-mobiilisovellus. DCU on integroitu arviointiympäristö, joka perustuu NUCLEO-F401RE-alustaan. Se sisältää X-NUCLEO-IDS01A4-kortin alle gigahertsin taajuiseen tiedonsiirtoon STEVAL-LLL006V1:n kanssa ja X-NUCLEO-IDB05A2-kortin Bluetooth-tiedonsiirtoon mobiililaitteen kanssa. STMicroelectronics tarjoaa myös 6LoWPAN Smart Streetlight ‑mobiilisovelluksen, jota voidaan käyttää älykkään katuvalo-ohjainverkon muodostamiseen ja verkon toiminnan arviointiin.

Teollinen ledivalaistus

Verkkoon kytkettäviä teollisia ledivalaistusratkaisuja voidaan koerakentaa onsemin LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform -alustan avulla. Tässä kehitysalustassa on langaton ohjaus, valittava virransyöttö AC/DC-verkkovirtalähteen tai Ethernet-kaapelin (PoE) kautta, ledimoduuli ja lediohjainmoduuli. BLE-yhteysmoduuli sitoo kaiken yhteen. Käytettävissä olevia ohjausvaihtoehtoja ovat muun muassa onsemin RSL10 Sense and Control ‑mobiilisovellus sekä verkkoasiakasohjelma. Tämä kehitysalusta sisältää FreeRTOS:n, CMSIS-Packin mukautettavalla laiteohjelmistolla sekä useita käyttötapauksia, joiden avulla aloittaa verkkoon yhdistettäviin teollisiin ledivalaistusratkaisuihin tutustuminen.

LIGHTING-1-GEVK-perussarja sisältää kaksoislediohjaimen, ledikortin kahdella ledinauhalla, AC/DC-virtalähteen ja BLE-tiedonsiirtomoduulin (kuva 5). Jopa 90 W tehoa syöttävä PoE-virtamoduuli on saatavana erikseen. Seuraavassa joitakin sarjan eri korttien tärkeimpiä teknisiä tietoja:

• Kaksoislediohjain: sisältää kaksi FL7760-lediohjainta, joista kumpikin tarjoaa jopa 25 W:n tehon jopa 96 % hyötysuhteella, 4 000 ‑portaisen himmennyksen jopa 0,6 %:iin, molempien lediohjainten virta- ja jännitemittaukset sisältävät telemetriatiedot sekä irrotettavan liittimen MCU-moduulille langatonta verkkoyhteyttä varten.
• Ledikortti: kaksi itsenäistä kanavaa, joissa kummassakin on 16 lediä. Toisen kanavan ledien nimellisteho on 121 lm ja toisen 95 lm, joilla saavutetaan 7 000 lm:n kokonaisvaloteho.
• AC/DC-virtalähde: sisältää kaksi FL7740-mallista ensiöpuolelta säädeltyä flyback-muunninta tehokertoimen korjauksella, toimii 90–270 V_AC ‑tulojännitteellä, tuottaa 70 W:n tehon 55 V:n jännitteellä lediohjainkortille, PF on yli 0,99 ja hyötysuhde yli 91 %.
• BLE-moduuli: yhdistetty valaistusalusta käyttää kolmea BLE-palvelua, jotka ovat 1) valaistuksen ohjauspalvelu, jota yhdistetyt laitteet käyttävät ledien tilan lukemiseen ja muuttamiseen etäyhteyden kautta, 2) telemetriapalvelu, jota yhdistetyt laitteet käyttävät lediohjaimien jännitteen ja virran valvontaan, sekä 3) PoE-virransyöttöpalvelu, joka tarjoaa tietoa PoE-tehoinjektorin laitteelle asettamista PoE-tehorajoista.

Kuva 5: Peruskehityssarja sisältää kaksoislediohjaimen, kaksi ledinauhaa, AC/DC-virtalähteen ja BLE-yhteysmoduulin. (Kuvan lähde: onsemi)

Laajennuskortit

LIGHTING-1-GEVK-sarjaan on saatavilla kaksi laajennuskorttia, BLE-SWITCH001-GEVB energiaa talteenottava BLE-kytkin ja MULTI-SENSE-GEVB-monianturikortti (kuva 6). Ledien kirkkautta voidaan säätää BLE-kytkimellä. Kirkkaus kasvaa, kun kytkintä painetaan ja pidetään alhaalla. Valovoima pysyy tasaisena, kun kytkin vapautetaan tai suurin kirkkaus saavutetaan. Kirkkaus pienenee, kun kytkintä painetaan uudelleen. Monianturikortti tukee ympäröivän valon anturin, ympäristöanturin ja/tai inertia-anturin sisältävien järjestelmien koerakentamista.

Kuva 6: LIGHTING-1-GEVK-sarjalle on saatavilla kaksi laajennuskorttia, BLE-kytkin ja monianturikortti (ylin vihreä laatikko). (Kuvan lähde: onsemi)

Suunnittelu- ja käyttöönottovaihtoehdot

Ledikatuvalot ja -teollisuusvalaisimet antavat mahdollisuuden tuoda uusia ideoita valaistusverkkojen suunnitteluun ja käyttöönottoon. Toisin kuin teknologia, jonka ne yleensä korvaavat, ledit voidaan himmentää, minkä ansiosta on mahdollista suunnitella älykaupunkeja ja älykkäitä Teollisuus 4.0 ‑tiloja, joissa yhdistyy erilaisia tekijöitä, kuten liikennevirrat ja käyttötottumukset, vuorokaudenaika ja jopa sarja antureita valaistuksen optimoimiseksi tarpeen mukaan.

Älykaupungissa langattomat mesh-verkot ovat luonnollinen valinta, mutta Teollisuus 4.0 ‑tiloissa ohjaus voidaan toteuttaa langattomalla tai Ethernet-yhteydellä. Ethernetin etuna on, että se tarjoaa sekä virran että tietoliikenteen. Kummassakin tapauksessa valaisimiin voidaan integroida lämpötila- ja kosteusantureita ja jopa kamerakennoja, mikä lisää niiden toiminnallisuutta. Lisäksi itse valaisimien toimintaolosuhteita, kuten sisäistä lämpötilaa, oikosulussa olevia tai avoimena olevia ledejä ja muita tekijöitä, voidaan valvoa ennaltaehkäisevän huollon ajoittamiseksi ja käyttökustannusten vähentämiseksi.

Yhteenveto

Kuten on osoitettu, luotettavan ja tehokkaan verkkoon kytkettävän ledivalaistusjärjestelmän suunnittelu alkaa valaisimien suunnittelusta. On valittava optimaalisen luumentason tarjoavat ledit, ja sivupiirien käyttö voi merkittävästi parantaa valaisimen luotettavuutta ja suorituskykyä. Langallisen tai langattoman verkkoon kytketyn ledivalaistuksen käyttö älykaupungeissa ja Teollisuus 4.0 ‑tiloissa voi vähentää energiankulutuksen lisäksi jatkuvia huolto- ja käyttökustannuksia. Saatavana on kattavia kehitysalustoja, jotka nopeuttavat älykkäiden yhdistettyjen ledivalaistusratkaisujen suunnittelua ja käyttöönottoa.