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如何在智慧城市和工業(yè)建筑中部署無線 LED 照明控制

發(fā)布時間:2022-11-24 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下,具有無線控制功能的 LED 照明系統(tǒng)的使用越來越廣泛,因為它帶來了諸多好處,包括降低能源成本(相應(yīng)地減少碳排放)、照明水平可控,以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長使用壽命而降低維護成本。為了實現(xiàn)最佳效果,這些 LED 照明系統(tǒng)需要具有各種操作模式、傳感和保護功能的照明控制器,還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍,以及高功率因數(shù) (PF) 和低總諧波失真 (THD)。


在智慧城市和工業(yè) 4.0 環(huán)境下,具有無線控制功能的 LED 照明系統(tǒng)的使用越來越廣泛,因為它帶來了諸多好處,包括降低能源成本(相應(yīng)地減少碳排放)、照明水平可控,以及因 LED 燈具的更高可靠性和更長使用壽命而降低維護成本。為了實現(xiàn)最佳效果,這些 LED 照明系統(tǒng)需要具有各種操作模式、傳感和保護功能的照明控制器,還需要高效率和 90 至 300 伏交流電 (VAC) 的寬工作電壓范圍,以及高功率因數(shù) (PF) 和低總諧波失真 (THD)。此外,完整配置系統(tǒng)還需要微控制器 (MCU)、數(shù)據(jù)集中器和無線收發(fā)器。從頭開始設(shè)計無線 LED 照明控制系統(tǒng)是一項多學(xué)科的任務(wù),需要承擔(dān)很大的風(fēng)險,并可能延遲上市時間。


作為替代方法,設(shè)計人員可以使用預(yù)制的聯(lián)網(wǎng) LED 照明控制開發(fā)平臺。這些平臺具有高能效、高 PF,以及全面的無線控制功能(開/關(guān)、調(diào)光和其他模式)和多個獨立控制的 LED 通道,提供最大的設(shè)計靈活性。此類平臺包括支持低功耗藍牙 (BLE)、Zigbee 和 6LoWPAN 等協(xié)議的無線通信模塊。此外,開發(fā)環(huán)境也支持這些平臺,包括可定制固件、Free RTOS 和各種用例。


本文首先回顧了基本的 LED 操作和燈具結(jié)構(gòu),以及衡量 LED 和燈具能效的指標。然后討論了在智慧城市和工業(yè) 4.0 應(yīng)用中使用分流器來最大限度提高燈具的可靠性和性能。最后,本文介紹了 STMicroelectronics 和 onsemi 的預(yù)制互聯(lián) LED 照明驅(qū)動和控制開發(fā)平臺及相關(guān)組件,以及設(shè)計和部署方面的考慮因素。


智能 LED 照明控制主要是控制每個燈串的 LED 之間的交互,以優(yōu)化燈具性能。它還包含智能電源轉(zhuǎn)換,并擴展了功能以對多個燈具進行無線控制,包括硬件和軟件,從而最大限度地提高街道照明和工業(yè)照明網(wǎng)絡(luò)的性能。


典型的 LED 燈具包括多個串聯(lián)在一個或多個燈串中的 LED。每個 LED 的驅(qū)動電壓約為 3.5 V。一個燈串通常包含 10 至 30 個 LED,工作電壓為 40 至 100 V,電流約為 0.35 至 1.0 A,具體取決于各個 LED 的亮度(圖 1)。


如何在智慧城市和工業(yè)建筑中部署無線 LED 照明控制

圖 1:用于智能燈具的兩串各 16 個 LED 的燈串。(圖片來源:Onsemi)


光源的亮度以流明 (lm) 為單位,其衡量人眼的視亮度,并考慮到眼睛對各種波長的可見光的敏感性。光源產(chǎn)生亮度的效率稱為發(fā)光效率,測量單位為 lm/W。與其他常見的照明技術(shù)相比,LED 具有更高的發(fā)光效率。然而,并非所有 LED 都具有相同的發(fā)光效率,有些 LED 的發(fā)光效率明顯高于其他 LED。此外,如果用更大的電流驅(qū)動,一個特定的 LED 可以產(chǎn)生更多的光。


LED 比其他照明技術(shù)更可靠,但它們并不完美。LED 可能會出現(xiàn)故障,特別是在高性能燈具中由大電流驅(qū)動時,例如那些用于街道照明和工業(yè)照明的 LED。LED 故障可能是短路或開路。如果燈串中的一個 LED 發(fā)生短路故障,該 LED 會變黑,但燈串中的其余 LED 繼續(xù)工作。電流繼續(xù)流經(jīng)短路的 LED,使其加熱到可以成為開路的程度,導(dǎo)致整個燈串變暗。


分流 LED


LED 燈具設(shè)計師面臨著在更小的燈具中提供更高亮度的挑戰(zhàn)。這往往需要 LED 在較高的溫度下長期運行,可能導(dǎo)致 LED 故障。尤其是預(yù)計工作壽命長達 15 年的路燈燈具。旁路分流器有助于滿足對更高工作溫度和延長壽命的矛盾要求。當(dāng)一個 LED 在開路狀態(tài)下發(fā)生故障時,分流器會將該 LED 旁路,保持燈串正常運行,因此燈串不會變暗,只有發(fā)生故障的 LED 變暗(圖 2)。


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圖 2:如果沒有旁路分流器,單個 LED 的故障會導(dǎo)致整個燈串失效(左)。使用旁路分流器,只有故障的 LED 變暗,而燈串中的其余 LED 繼續(xù)工作(右)。(圖片來源:Onsemi)


根據(jù)燈具設(shè)計的需要,分流器可用于繞過一個或兩個 LED(圖 3)。如果一個 LED 發(fā)生故障,繞過每個 LED 可實現(xiàn)最小的亮度下降,而繞過兩個 LED 可以將分流器的數(shù)量減少一半,適用于對成本更敏感的解決方案。例如,onsemi 的 NUD4700SNT1G 可用于旁路燈串中的單個 LED,如果 LED 恢復(fù)工作或被更換,該分流器將自動復(fù)位。STMicroelectronics 的 LBP01-0810B 可以旁路 1 個或 2 個LED,提高了設(shè)計靈活性并減少了零件數(shù)量。LBP01-0810B 還提供針對浪涌的過壓保護,符合 IEC 61000-4-2 和 IEC 61000-4-5 標準。


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圖 3:可用于旁路 1 個(左)或 2 個(右)LED 的 LED 分流器(虛線框內(nèi))可用。(圖片來源:Onsemi)


智能街道照明


智能街道照明系統(tǒng)的設(shè)計人員可以借助 STMicroelectronics 的 STEVAL-LLL006V1 板來評估大功率 LED 照明的選擇(圖 4)。集成的 HVLED001A LED 照明控制器包括各種工作模式、傳感和保護機制,并使用 STP21N90K5 MOSFET 構(gòu)建了一個智能而高效的電源轉(zhuǎn)換器。該 LED 驅(qū)動板使用 VIPER012LSTR 離線高壓轉(zhuǎn)換器 IC,提供 60 至 110 V 直流電輸出,恒定電流為 0.7 A。為滿足智能街道照明應(yīng)用的需要,該驅(qū)動器的輸入范圍為 90 至 300VAC,PF 值超過 0.97,THD 低于 15%。嵌入式 SPSGRFC 亞千兆赫 (GHz) 收發(fā)器模塊可用于接收開、關(guān)和調(diào)光命令,并將其發(fā)送到集成的 STM32L071KZ 微控制器。該收發(fā)器支持五級模擬調(diào)光。


如何在智慧城市和工業(yè)建筑中部署無線 LED 照明控制

圖 4:STEVAL-LLL006V1 LED 照明開發(fā)板是集電源管理和無線連接于一體的平臺的組成部分。(圖片來源:STMicroelectronics)


開發(fā)工具


為了加快開發(fā)進程并突出 STEVAL-LLL006V1 評估板的功能,還提供了數(shù)據(jù)集中器單元 (DCU) 和 Android 移動應(yīng)用程序。DCU 是在 NUCLEO-F401RE 平臺上構(gòu)建的集成評估環(huán)境。它包含一塊 X-NUCLEO-IDS01A4 板,用于與 STEVAL-LLL006V1 進行亞千兆赫通信,還包含一塊 X-NUCLEO-IDB05A2 板,用于與移動設(shè)備進行藍牙通信。STMicroelectronics 還提供 6LoWPAN 智能街道照明移動應(yīng)用,可用于組建智能街道照明控制器網(wǎng),并評估網(wǎng)絡(luò)功能。


工業(yè) LED 照明


互聯(lián)的工業(yè) LED 照明解決方案可以使用 onsemi 的 LIGHTING-1-GEVK 互聯(lián)照明平臺進行原型設(shè)計。該開發(fā)平臺具有無線控制功能,可選擇使用離線 AC/DC 電源或可選以太網(wǎng)電源 (PoE)、LED 模塊和 LED 驅(qū)動模塊,以及將所有模塊連接在一起的 BLE 連接模塊??捎玫目刂七x項包括使用 onsemi 的 RSL10 Sense and Control 移動應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)客戶端。該開發(fā)平臺包括 Free RTOS、帶有可定制固件的 CMSIS-Pack 和幾個用例,以開始探索使用互聯(lián)工業(yè) LED 照明解決方案。


基礎(chǔ)的 LIGHTING-1-GEVK 套件包括一個雙 LED 驅(qū)動器、帶有兩個 LED 燈串的 LED 板、一個 AC/DC 電源以及一個 BLE 通信模塊(圖 5)。另有一個 PoE 電源模塊,可提供高達 90 W 的電力。套件中各種板的一些關(guān)鍵規(guī)格包括:


· 雙 LED 驅(qū)動器:包括兩個 FL7760 LED 驅(qū)動器,每個驅(qū)動器提供高達 25 W 的功率,效率高達 96%;4,000 步調(diào)光,可調(diào)低至 0.6%;遙測數(shù)據(jù),包括每個 LED 驅(qū)動器的電流和電壓測量;以及一個可插拔 MCU 模塊的接頭,支持無線連接。

· LED 板:雙獨立通道,每個通道有 16 個 LED。一個通道的 LED 額定亮度為 121 lm,另一個通道的 LED 額定亮度為 95 lm,總可用亮度為 7,000 lm。

· AC/DC 電源:包括兩個帶 PFC 的 FL7740 初級側(cè)調(diào)節(jié)反激式控制器,在 90 至 270 VAC的輸入范圍內(nèi)工作,在 55 V 時輸出 70 W 的電力,為 LED 驅(qū)動板供電,PF 值超過 0.99,效率超過 91%。

· BLE 模塊:互聯(lián)照明平臺使用三種 BLE 服務(wù);照明控制服務(wù)由連接的設(shè)備用于遠程讀取和更改 LED 的狀態(tài);遙測服務(wù)由連接的設(shè)備用于監(jiān)測 LED 驅(qū)動器中的電壓和電流;PoE 供電服務(wù)提供關(guān)于 PoE 供電器對設(shè)備施加的 PoE 功率限制的信息。


如何在智慧城市和工業(yè)建筑中部署無線 LED 照明控制

圖 5:基礎(chǔ)開發(fā)套件包括一個雙 LED 驅(qū)動器、兩個 LED 燈串、AC/DC 電源和一個 BLE 連接模塊。(圖片來源:Onsemi)


擴展板


LIGHTING-1-GEVK 套件有兩塊擴展板,即 BLE-SWITCH001-GEVB 能量收集 BLE 開關(guān),以及 MULTI-SENSE-GEVB 多傳感器板(圖 6)。LED 的亮度可通過 BLE 開關(guān)控制。按住開關(guān)時,亮度增加。松開開關(guān)或達到最大亮度時,光強度保持不變。再按一次開關(guān),亮度就會降低。多傳感器板支持包括環(huán)境光傳感器、環(huán)境傳感器和/或慣性運動傳感器的系統(tǒng)原型開發(fā)。


如何在智慧城市和工業(yè)建筑中部署無線 LED 照明控制

圖 6:LIGHTING-1-GEVK 套件有兩個擴展板可用,一個是 BLE 開關(guān),一個是多傳感器板(頂部綠框)。(圖片來源:Onsemi)


設(shè)計和部署選項


LED 路燈和工業(yè)照明燈具引發(fā)了照明網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和部署的重新思考。與通常被其取代的技術(shù)不同,LED 可調(diào)光,因而為設(shè)計智慧城市和智能工業(yè) 4.0 設(shè)施創(chuàng)造了機會,可整合各種因素,如交通/使用模式、當(dāng)日時間,甚至還有一套傳感器,以根據(jù)需要優(yōu)化照明水平。


在智慧城市中,無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是自然的選擇,而在工業(yè) 4.0 設(shè)施中,可以通過無線或以太網(wǎng)連接實現(xiàn)控制。以太網(wǎng)的好處是既能提供電力,又能實現(xiàn)通信。在這兩種情況下,溫度、濕度、甚至攝像傳感器都可以集成到燈具中,以擴展其功能。此外,還可以監(jiān)測燈具本身的運行狀況,如內(nèi)部溫度、LED 短路或開路以及其他因素,以幫助安排預(yù)防性維護并降低運營成本。


總結(jié)


如上所述,設(shè)計可靠高能效的互聯(lián) LED 照明系統(tǒng),要從燈具的設(shè)計開始。選擇的 LED 需要能夠提供最佳亮度水平,而使用分流器可以顯著提高燈具的可靠性和性能。在智慧城市和工業(yè) 4.0 設(shè)施中使用有線或無線連接的 LED 照明,除了減少能耗,還能夠降低持續(xù)的維護和運營成本。全面的開發(fā)平臺可以幫助加快智能互聯(lián) LED 照明解決方案的設(shè)計和部署。

(來源:中電網(wǎng),作者:Jeff Shepard)


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