Einsatz drahtloser LED-Beleuchtungssteuerungen in Smart Cities und Industriegebäuden

Der Einsatz von LED-Beleuchtungssystemen mit drahtlosen Steuerungen in Smart-City- und Industrie-4.0-Umgebungen nimmt zu, da er zahlreiche Vorteile mit sich bringt, darunter niedrigere Energiekosten (und eine entsprechende Verringerung der Kohlenstoffemissionen), steuerbare Beleuchtungsniveaus und geringere Wartungskosten aufgrund der höheren Zuverlässigkeit und der längeren Lebensdauer von LED-Leuchten. Um möglichst effektiv zu sein, benötigen diese LED-Beleuchtungssysteme eine Beleuchtungssteuerung mit verschiedenen Betriebsmodi, Erfassungs- und Schutzfunktionen sowie einem hohen Wirkungsgrad und einem weiten Betriebsspannungsbereich von 90 bis 300 Volt Wechselstrom (V_AC), zusammen mit einem hohen Leistungsfaktor (PF) und einer geringen Gesamtverzerrung (THD). Darüber hinaus werden ein Mikrocontroller (MCU), ein Datenkonzentrator und ein drahtloser Transceiver benötigt, um das System zu vervollständigen. Die Entwicklung eines drahtlosen Systems zur LED-Beleuchtungssteuerung von Grund auf ist eine multidisziplinäre Aufgabe, die ein erhebliches Risiko birgt und die Markteinführung verzögern kann.

Stattdessen können vorgefertigte Entwicklungsplattformen für die Steuerung von LED-Beleuchtung verwendet werden. Diese Plattformen sind äußerst energieeffizient, haben einen hohen PF und verfügen über umfassende drahtlose Steuerfunktionen (Ein/Aus, Dimmen und andere Modi) sowie mehrere unabhängig voneinander gesteuerte LED-Kanäle, die maximale Designflexibilität bieten. Sie umfassen drahtlose Kommunikationsmodule, die Protokolle wie Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee und 6LoWPAN unterstützen. Zusätzlich werden sie von Entwicklungsumgebungen unterstützt, die anpassbare Firmware, Free RTOS und verschiedene Anwendungsfälle umfassen.

In diesem Artikel werden zunächst die Grundlagen des LED-Betriebs und der Leuchtenkonstruktion sowie die Messgrößen für die Effizienz von LEDs und Leuchten erläutert. Er erörtert die Verwendung von Shunts zur Maximierung der Zuverlässigkeit und Leistung von Leuchten in Smart-City- und Industrie-4.0-Anwendungen. Anschließend werden vorgefertigte Entwicklungsplattformen für vernetzte LED-Beleuchtungsansteuerungen sowie zugehörige Komponenten von STMicroelectronics und onsemi vorgestellt und Überlegungen zu Design und Einsatz angestellt.

Intelligente LED-Beleuchtungssteuerung beginnt mit der Steuerung der Interaktion zwischen den LEDs in jeder Kette, um die Leistung der Leuchte zu optimieren. Sie umfasst auch die intelligente Stromumwandlung und reicht bis zur drahtlosen Steuerung mehrerer Leuchten, einschließlich Hardware und Software, um die Leistung von Straßenbeleuchtungs- und Industriebeleuchtungsnetzen zu maximieren.

Eine typische LED-Leuchte besteht aus mehreren in Reihe geschalteten LEDs in einer oder mehreren Ketten. Jede LED benötigt eine Betriebsspannung von etwa 3,5 V. Eine Kette enthält in der Regel 10 bis 30 LEDs und wird mit einer Versorgungsspannung von 40 bis 100 V betrieben, wobei je nach Helligkeit der einzelnen LEDs ein Strom von etwa 0,35 bis 1,0 Ampere (A) fließt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Zwei Ketten mit je 16 LEDs zur Verwendung in intelligenten Leuchten. (Bildquelle: onsemi)

Die Helligkeit von Lichtquellen wird in Lumen (lm) angegeben, die die scheinbare Helligkeit für das menschliche Auge angeben und die Empfindlichkeit des Auges für verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts berücksichtigen. Die Effizienz, mit der eine Lichtquelle Lumen erzeugt, wird als Wirkungsgrad bezeichnet und in Lumen pro Watt (lm/W) gemessen. LEDs haben einen höheren Wirkungsgrad als andere gängige Beleuchtungstechnologien. Allerdings sind nicht alle LEDs gleich effizient, und einige haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als andere. Außerdem kann eine bestimmte LED mehr Licht erzeugen, wenn sie mit mehr Strom betrieben wird.

LEDs sind zuverlässiger als andere Beleuchtungstechnologien, aber sie sind nicht perfekt. LEDs können ausfallen, insbesondere wenn sie in einer Hochleistungsleuchte, wie sie in der Straßen- und Industriebeleuchtung verwendet wird, stark beansprucht werden. Ein LED-Ausfall kann ein Kurzschluss oder ein offener Stromkreis sein. Wenn eine LED in einer Kette bei einem Kurzschluss ausfällt, wird sie dunkel, aber die übrigen LEDs im Strang funktionieren weiter. Der Strom fließt weiter durch die kurzgeschlossene LED und erwärmt sie so weit, dass sie zu einem offenen Stromkreis werden kann, wodurch die gesamte Kette dunkel wird.

LED-Überbrückung

Bei der Entwicklung von LED-Leuchten ist es eine Herausforderung, mehr Lumen in kleineren Leuchten zu erzeugen. Dies erfordert oft, dass die LEDs über längere Zeit bei höheren Temperaturen betrieben werden, was zu LED-Ausfällen führen kann. Insbesondere bei Straßenlaternen wird mit einer Betriebsdauer von bis zu 15 Jahren gerechnet. Bypass-Shunts können dazu beitragen, die widersprüchlichen Anforderungen an höhere Betriebstemperaturen und längere Lebensdauer in Einklang zu bringen. Wenn eine LED im offenen Zustand ausfällt, wird die Kette nicht dunkel, sondern der Shunt überbrückt die LED und sorgt dafür, dass die Kette normal funktioniert und nur die ausgefallene LED dunkel wird (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ohne Bypass-Shunts führt ein einzelner LED-Ausfall zum Verlust der gesamten Kette (links). Mit Bypass-Shunts wird nur die ausgefallene LED dunkel, während die übrigen LEDs in der Kette weiter funktionieren (rechts). (Bildquelle: onsemi)

Es sind Shunts erhältlich, mit denen eine oder zwei LEDs überbrückt werden können, je nach den Anforderungen des Leuchtendesigns (Abbildung 3). Die Umgehung jeder einzelnen LED sorgt für einen minimalen Helligkeitsabfall, wenn eine LED ausfällt, während die Umgehung von zwei LEDs die Anzahl der Shunts für kostensensitivere Lösungen auf die Hälfte reduziert. Der NUD4700SNT1G von onsemi kann zum Beispiel dazu verwendet werden, einzelne LEDs in einer Kette zu überbrücken, und er setzt sich automatisch zurück, wenn die LED wieder in Betrieb genommen oder ausgetauscht wird. Der LBP01-0810B von STMicroelectronics kann entweder 1 oder 2 LEDs überbrücken, was die Designflexibilität erhöht und die Anzahl der Bauteile reduziert. Der LBP01-0810B bietet außerdem Überspannungsschutz gegen die in IEC 61000-4-2 und IEC 61000-4-5 definierten Überspannungen.

Abbildung 3: Es sind LED-Shunts (innerhalb der gestrichelten Kästen) erhältlich, die 1 (links) oder 2 (rechts) LEDs überbrücken können. (Bildquelle: onsemi)

Intelligente Straßenbeleuchtung

Für intelligente Straßenbeleuchtungssysteme kann das Board STEVAL-LLL006V1 von STMicroelectronics verwendet werden, um Optionen für Hochleistungs-LED-Beleuchtungen zu bewerten (Abbildung 4). Der integrierte LED-Beleuchtungscontroller HVLED001A verfügt über verschiedene Betriebsmodi, Erfassungs- und Schutzmechanismen und erzeugt mit den MOSFETs STP21N90K5 einen intelligenten und effizienten Leistungswandler. Diese LED-Treiberplatine verwendet den Offline-Hochspannungswandler-IC VIPER012LSTR, um einen Ausgang von 60 bis 110 V Gleichstrom (DC) mit einem konstanten Strom von 0,7 A zu liefern. Um den Anforderungen intelligenter Straßenbeleuchtungsanwendungen gerecht zu werden, verfügt der Treiber über einen Eingangsbereich von 90 bis 300 V_AC, einen PF über 0,97 und einen THD unter 15 %. Das eingebettete Sub-1GHz-Transceivermodul SPSGRFC kann verwendet werden, um Einschalt-, Ausschalt- und Dimmbefehle zu empfangen und an den integrierten Mikrocontroller STM32L071KZ zu senden. Es unterstützt fünf Stufen der analogen Dimmung.

Abbildung 4: Das Entwicklungsboard STEVAL-LLL006V1 für LED-Beleuchtungen ist Teil einer Plattform, die Energiemanagement und drahtlose Vernetzung umfasst. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Entwicklungstools

Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und die Funktionalität des Evaluierungsboards STEVAL-LLL006V1 hervorzuheben, sind eine Datenkonzentratoreinheit (DCU) und eine mobile Android-Anwendung verfügbar. Die DCU ist eine integrierte Evaluierungsumgebung, die auf der Plattform NUCLEO-F401RE aufbaut. Sie umfasst das Board X-NUCLEO-IDS01A4 für die Sub-1-GHz-Kommunikation mit dem STEVAL-LLL006V1 und das Board X-NUCLEO-IDB05A2 für die Bluetooth-Kommunikation mit einem mobilen Gerät. STMicroelectronics bietet auch die mobile Anwendung 6LoWPAN Smart Streetlight an, mit der ein Netz von intelligenten Straßenbeleuchtungssteuerungen gebildet und die Netzwerkfunktionalität bewertet werden kann.

Industrielle LED-Beleuchtung

Prototypen für vernetzte industrielle LED-Beleuchtungslösungen können mit der LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform von onsemi entwickelt werden. Diese Entwicklungsplattform bietet eine drahtlose Steuerung, die Wahl zwischen einem Offline-AC/DC-Netzteil oder einer optionalen Power-over-Ethernet-Stromquelle (PoE), ein LED-Modul und ein LED-Treibermodul sowie ein BLE-Netzwerkmodul, um alles miteinander zu verbinden. Zu den verfügbaren Steuerungsoptionen gehören die Verwendung der mobilen App RSL10 Sense and Control von onsemi oder ein Web-Client. Die Entwicklungsplattform umfasst Free RTOS, ein CMSIS-Pack mit anpassbarer Firmware und verschiedene Anwendungsfälle, um den Einsatz von vernetzten industriellen LED-Beleuchtungslösungen zu erforschen.

Das Basiskit LIGHTING-1-GEVK enthält einen zweikanaligen LED-Treiber, eine LED-Platine mit zwei LED-Ketten, ein AC/DC-Netzteil und ein BLE-Kommunikationsmodul (Abbildung 5). Ein PoE-Stromversorgungsmodul ist separat erhältlich und kann bis zu 90 W liefern. Zu den wichtigsten Spezifikationen der verschiedenen Boards im Kit gehören:

• Zweikanaliger LED-Treiber: umfasst zwei LED-Treiber der Serie FL7760, die jeweils bis zu 25 W mit einem Wirkungsgrad von bis zu 96 % liefern, 4000 Dimmstufen bis hinunter zu 0,6 %, Telemetriedaten einschließlich Strom- und Spannungsmessungen für jeden LED-Treiber und eine Steckleiste für das steckbare MCU-Modul zur Unterstützung der drahtlosen Vernetzung.
• LED-Board: zwei unabhängige Kanäle mit 16 LEDs pro Kanal. Ein Kanal verfügt über LEDs mit einer Lichtstärke von 121 lm, der andere Kanal über LEDs mit einer Lichtstärke von 95 lm, so dass insgesamt eine Helligkeit von 7000 lm erreicht wird.
• AC/DC-Netzteil: enthält zwei FL7740-Sperrregler für die Primärregelung mit PFC, arbeitet in einem Eingangsbereich von 90 bis 270 V_AC, erzeugt eine Leistung von 70 W bei 55 V zur Versorgung der LED-Treiberplatine, mit einem PF über 0,99 und einem Wirkungsgrad über 91 %.
• BLE-Modul: Die vernetzte Beleuchtungsplattform nutzt drei BLE-Dienste: den Beleuchtungssteuerungsdienst, der von den angeschlossenen Geräten verwendet wird, um den Zustand der LEDs aus der Ferne abzulesen und zu ändern, den Telemetriedienst, der von den angeschlossenen Geräten verwendet wird, um die Spannung und den Strom in den LED-Treibern zu überwachen, und den PoE-Stromversorgungsdienst, der Informationen über die PoE-Leistungsgrenzen liefert, die dem Gerät vom PoE-Stromversorgungsgerät auferlegt werden.

Abbildung 5: Das Basis-Entwicklungskit umfasst einen zweikanaligen LED-Treiber, eine doppelte LED-Kette, ein AC/DC-Netzteil und ein BLE-Netzwerkmodul. (Bildquelle: onsemi)

Erweiterungsboards

Für das Kit LIGHTING-1-GEVK sind zwei Erweiterungsboards erhältlich: der Energy-Harvesting-BLE-Schalter BLE-SWITCH001-GEVB und das Multisensorboard MULTI-SENSE-GEVB (Abbildung 6). Die LED-Helligkeit kann über den BLE-Schalter gesteuert werden. Die Helligkeit nimmt zu, wenn der Schalter gedrückt und gehalten wird. Die Lichtintensität bleibt konstant, wenn der Schalter losgelassen wird oder wenn die maximale Helligkeit erreicht ist. Die Helligkeit wird durch erneutes Drücken des Schalters verringert. Das Multisensorboard unterstützt das Prototyping von Systemen, die einen Umgebungslichtsensor, Umgebungssensoren und/oder einen Trägheitsbewegungssensor enthalten.

Abbildung 6: Für das Kit LIGHTING-1-GEVK sind zwei Erweiterungsboards erhältlich, ein BLE-Schalter und ein Multisensorboard (oberer grüner Kasten). (Bildquelle: onsemi)

Design und Einsatzmöglichkeiten

LED-Straßenlaternen und Industrieleuchten bieten neue Möglichkeiten, die Planung und den Einsatz von Beleuchtungsnetzen zu überdenken. Im Gegensatz zu den Technologien, die sie in der Regel ersetzen, sind LEDs dimmbar, was die Möglichkeit eröffnet, intelligente Städte und intelligente Industrie-4.0-Einrichtungen zu entwerfen, die verschiedene Faktoren wie Verkehrs-/Nutzungsmuster, Tageszeit und sogar eine Reihe von Sensoren integrieren, um das Beleuchtungsniveau nach Bedarf zu optimieren.

In einer intelligenten Stadt sind drahtlose Maschennetzwerke eine natürliche Wahl, aber in Industrie-4.0-Anlagen kann die Steuerung mit drahtloser oder Ethernet-Vernetzung implementiert werden. Ethernet hat den Vorteil, dass es sowohl Strom als auch Kommunikation liefern kann. In beiden Fällen können Temperatur-, Feuchtigkeits- und sogar Kamerasensoren in die Leuchten integriert werden, was deren Funktionalität erhöht. Darüber hinaus können die Betriebsbedingungen der Leuchten selbst, wie z. B. interne Temperaturen, kurzgeschlossene oder offene LEDs und andere Faktoren, überwacht werden, um die Planung der vorbeugenden Wartung zu unterstützen und die Betriebskosten zu senken.

Zusammenfassung

Wie gezeigt, beginnt die Entwicklung eines zuverlässigen und effizienten angeschlossenen LED-Beleuchtungssystems mit dem Design der Leuchten. Die LEDs müssen so ausgewählt werden, dass sie ein optimales Lumen-Niveau liefern, und die Verwendung von Shunts kann die Zuverlässigkeit und Leistung der Leuchte erheblich verbessern. Der Einsatz von kabelgebundener oder drahtloser LED-Beleuchtung in intelligenten Städten und Industrie-4.0-Einrichtungen kann neben der Senkung des Energieverbrauchs auch die laufenden Wartungs- und Betriebskosten senken. Umfassende Entwicklungsplattformen stehen zur Verfügung, um die Entwicklung und den Einsatz intelligenter, vernetzter LED-Beleuchtungslösungen zu beschleunigen.