Come implementare i controlli di illuminazione a LED wireless nelle città intelligenti e negli edifici industriali

L'uso di sistemi di illuminazione a LED con comandi wireless nelle città intelligenti e nelle applicazioni di Impresa 4.0 è in forte crescita perché offre molti vantaggi, tra cui costi energetici inferiori (e una corrispondente riduzione delle emissioni di CO2), livelli di illuminazione controllabili e costi di manutenzione minori grazie alla maggiore affidabilità e alla vita utile più lunga degli apparecchi a LED. Per essere efficaci, questi sistemi di illuminazione a LED necessitano di un controller con varie modalità operative, funzioni di rilevamento e protezione, oltre a un'elevata efficienza e a un ampio intervallo della tensione di funzionamento da 90 a 300 V_c.a., oltre a un elevato fattore di potenza (PF) e a una bassa distorsione armonica totale (THD). Inoltre, per completare il sistema sono necessari un microcontroller (MCU), un concentratore per dati e un transceiver wireless. Progettare da zero un sistema di controllo dell'illuminazione LED wireless è un'attività multidisciplinare che comporta un livello di rischio significativo e può ritardare il time-to-market.

I progettisti possono invece utilizzare piattaforme di sviluppo pre-ingegnerizzate per il controllo dell'illuminazione LED connessa. Queste piattaforme sono ad altissima efficienza energetica, con PF elevati, e dispongono di controlli wireless completi (on/off, dimmeraggio e altre modalità) e di vari canali LED controllati in modo indipendente per la massima flessibilità di progettazione. Includono moduli di comunicazione wireless che supportano protocolli come Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee e 6LoWPAN. Inoltre, sono supportati da ambienti di sviluppo che includono firmware personalizzabile, Free RTOS e vari casi d'uso.

Questo articolo inizia con una panoramica sul funzionamento di base dei LED e sulla costruzione degli apparecchi di illuminazione, oltre che sui parametri per misurare la loro efficienza. L'articolo illustra l'uso degli shunt per massimizzare l'affidabilità e le prestazioni degli apparecchi di illuminazione nelle applicazioni per città intelligenti e Impresa 4.0. Presenta quindi le piattaforme di sviluppo pre-ingegnerizzate per l'azionamento e il controllo dell'illuminazione LED connessa e i relativi componenti di STMicroelectronics e onsemi, insieme a considerazioni sulla progettazione e l'implementazione.

Il controllo intelligente dell'illuminazione a LED inizia con il controllo dell'interazione tra i LED di ciascuna stringa per ottimizzare le prestazioni dell'apparecchio. Include anche la conversione intelligente dell'energia e si estende al controllo wireless di più apparecchi di illuminazione, comprendendo sia l'hardware che il software, per massimizzare le prestazioni dell'illuminazione stradale e delle reti di illuminazione industriale.

Un tipico apparecchio a LED comprende più LED collegati in serie per formare una o più stringhe. Ogni LED richiede una tensione di comando di circa 3,5 V. Una stringa contiene solitamente da 10 a 30 LED e funziona con un'alimentazione da 40 a 100 V, assorbendo da 0,35 a 1,0 A di corrente, a seconda della luminosità dei singoli LED (Figura 1).

Figura 1: Due stringhe di 16 LED ciascuna da utilizzare negli apparecchi di illuminazione intelligenti. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

La luminosità delle sorgenti luminose è quantificata in lumen (lm) e riflette la luminosità apparente per l'occhio umano tenendo conto della sensibilità dell'occhio alle varie lunghezze d'onda della luce visibile. L'efficienza con cui una sorgente luminosa produce i lumen si misura in lumen per watt (lm/W). I LED hanno un'efficienza luminosa superiore a quella di altre tecnologie di illuminazione comuni. Tuttavia, non tutti i LED sono parimenti efficienti e alcuni hanno un'efficienza significativamente maggiore di altri. Inoltre, un determinato LED può produrre più luce se alimentato con una corrente maggiore.

I LED sono più affidabili di altre tecnologie di illuminazione, ma non sono perfetti: possono guastarsi, soprattutto se vengono utilizzati in modo intensivo in apparecchi ad alte prestazioni come quelli destinati all'illuminazione stradale e industriale. I LED possono guastarsi a causa di un cortocircuito o un circuito aperto. Se un LED di una stringa si guasta in una condizione di cortocircuito, si spegne, e gli altri LED della stringa continuano a funzionare. La corrente continua a scorrere attraverso il LED in cortocircuito, riscaldandolo al punto che può diventare un circuito aperto, causando l'oscuramento dell'intera stringa.

LED in derivazione

I progettisti di apparecchi di illuminazione a LED hanno il compito di fornire più lumen in apparecchi più piccoli. Ciò spesso richiede che i LED operino a temperature più elevate per periodi prolungati e questo può causare guasti. Gli apparecchi per l'illuminazione stradale, in particolare, dovrebbero avere una vita utile fino a 15 anni. Gli shunt di bypass possono aiutare a conciliare le esigenze contrastanti di temperature di funzionamento più elevate e di una maggiore durata. Quando un LED si guasta nello stato aperto, invece di spegnere la stringa, lo shunt bypassa questo LED e fa sì che la stringa funzioni normalmente, spegnendo solo il LED guasto (Figura 2).

Figura 2: Senza gli shunt di bypass, il guasto di un singolo LED comporta la perdita dell'intera stringa (a sinistra). Con gli shunt di bypass, solo il LED guasto si spegne, mentre gli altri LED della stringa continuano a funzionare (a destra). (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Sono disponibili shunt utilizzabili per bypassare uno o due LED, a seconda delle esigenze progettuali dell'apparecchio (Figura 3). Il bypass di ciascun LED consente di ridurre al minimo la luminosità in caso di guasto di un LED, mentre il bypass di due LED dimezza il numero di shunt per soluzioni più sensibili ai costi. Ad esempio, NUD4700SNT1G di onsemi può essere utilizzato per bypassare i singoli LED di una stringa e si ripristina automaticamente se il LED riprende a funzionare o viene sostituito. LBP01-0810B di STMicroelectronics può bypassare 1 o 2 LED, aumentando la flessibilità di progettazione e riducendo il numero di componenti. Il modello LBP01-0810B offre anche una protezione contro le sovratensioni definite nelle norme IEC 61000-4-2 e IEC 61000-4-5.

Figura 3: Sono disponibili shunt per LED (all'interno delle caselle tratteggiate) che possono bypassare 1 (a sinistra) o 2 (a destra) LED. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Illuminazione stradale intelligente

I progettisti di sistemi di illuminazione stradale intelligente possono rivolgersi alla scheda STEVAL-LLL006V1 di STMicroelectronics per valutare le opzioni di illuminazione a LED ad alta potenza (Figura 4). Il controller integrato per l'illuminazione a LED HVLED001A include diverse modalità operative, meccanismi di rilevamento e protezione e produce un convertitore di potenza intelligente ed efficiente utilizzando MOSFET STP21N90K5. Questa scheda driver LED utilizza il convertitore in CI ad alta tensione offline VIPER012LSTR per fornire un'uscita da 60 a 110 V in corrente continua (c.c.) con una corrente costante di 0,7 A. Per soddisfare le esigenze delle applicazioni di illuminazione stradale intelligente, il driver ha un intervallo di ingresso da 90 a 300 V_c.a., un PF superiore a 0,97 e un THD inferiore al 15%. Il modulo transceiver embedded SPSGRFC inferiore a 1 GHz può essere utilizzato per ricevere comandi di accensione, spegnimento e dimmeraggio e inviarli al microcontroller STM32L071KZ integrato. Supporta cinque livelli di dimmeraggio analogico.

Figura 4: La scheda per l'illuminazione a LED STEVAL-LLL006V1 fa parte di una piattaforma che comprende la gestione dell'alimentazione e la connettività wireless. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Strumenti di sviluppo

Per accelerare lo sviluppo ed evidenziare le funzionalità della scheda di valutazione STEVAL-LLL006V1, sono disponibili un'unità di concentrazione dei dati (DCU) e un'applicazione mobile Android. La DCU è un ambiente di valutazione integrato costruito sulla piattaforma NUCLEO-F401RE. Include una scheda X-NUCLEO-IDS01A4 per la comunicazione inferiore a 1 GHz con STEVAL-LLL006V1 e una scheda X-NUCLEO-IDB05A2 per la comunicazione Bluetooth con un dispositivo mobile. STMicroelectronics offre anche l'applicazione mobile 6LoWPAN Smart Streetlight, che può essere utilizzata per formare una rete di controller di illuminazione stradale intelligente e valutare la funzionalità della rete.

Illuminazione a LED industriale

Le soluzioni di illuminazione industriale a LED connesse possono essere prototipate utilizzando la piattaforma di illuminazione connessa LIGHTING-1-GEVK di onsemi. Questa piattaforma di sviluppo è dotata di controllo wireless, possibilità di scegliere se utilizzare un alimentatore c.a./c.c. offline o una fonte di alimentazione PoE (Power over Ethernet) opzionale, un modulo LED e un modulo driver LED, oltre a un modulo di connettività BLE per collegare il tutto. Le opzioni di controllo disponibili includono l'utilizzo dell'app mobile RSL10 Sense and Control di onsemi o di un client web. Questa piattaforma include Free RTOS, un CMSIS-Pack con firmware personalizzabile e diversi casi d'uso per iniziare a esplorare l'uso di soluzioni di illuminazione industriale a LED connesse.

Il kit base LIGHTING-1-GEVK comprende un doppio driver LED, una scheda LED con due stringhe di LED, un alimentatore c.a./c.c. e un modulo di comunicazione BLE (Figura 5). Separatamente è disponibile un modulo di alimentazione PoE in grado di erogare fino a 90 W. Alcune specifiche chiave delle varie schede del kit includono:

• Doppio driver LED: include due driver LED FL7760 che erogano fino a 25 W ciascuno con un'efficienza fino al 96%, 4.000 incrementi di dimmeraggio fino allo 0,6%, dati di telemetria che includono misurazioni di corrente e tensione per ciascun driver LED e una basetta per il modulo MCU collegabile per supportare la connettività wireless.
• Scheda LED: due canali indipendenti con 16 LED per canale. Un canale è dotato di LED da 121 lm e l'altro di LED da 95 lm, per una luminosità totale di 7.000 lm.
• Alimentatore c.a./c.c.: comprende due regolatori flyback di regolazione sul lato primario FL7740 con PFC, funziona con un intervallo di ingresso da 90 a 270 V_c.a., produce una potenza di 70 W a 55 V per alimentare la scheda driver LED, con un PF superiore a 0,99 e un'efficienza superiore al 91%.
• Modulo BLE: la piattaforma di illuminazione connessa utilizza tre servizi BLE - il servizio di controllo dell'illuminazione, utilizzato dai dispositivi connessi per leggere e modificare a distanza lo stato dei LED, il servizio di telemetria, utilizzato dai dispositivi connessi per monitorare la tensione e la corrente nei driver dei LED e il servizio di erogazione della potenza PoE, che fornisce informazioni sui limiti di potenza PoE imposti al dispositivo dall'iniettore di potenza PoE.

Figura 5: Il kit base comprende un doppio driver LED, una stringa doppia di LED, un alimentatore c.a./c.c. e un modulo di connettività BLE. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Schede di espansione

Per il kit LIGHTING-1-GEVK sono disponibili due schede di espansione, l'interruttore BLE di energy harvesting BLE-SWITCH001-GEVB e la scheda multisensoriale MULTI-SENSE-GEVB (Figura 6). La luminosità dei LED può essere controllata con l'interruttore BLE. La luminosità aumenta quando si tiene premuto l'interruttore. L'intensità luminosa rimane costante al rilascio dell'interruttore o al raggiungimento della massima luminosità. La luminosità si riduce premendo l'interruttore una seconda volta. La scheda multisensoriale supporta la prototipazione di sistemi che includono un sensore di luce ambientale, sensori ambientali e/o un sensore di movimento inerziale.

Figura 6: Per il kit LIGHTING-1-GEVK sono disponibili due schede di espansione, un interruttore BLE e una scheda multisensoriale (riquadro verde in alto). (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Opzioni di progettazione e implementazione

I lampioni e gli apparecchi di illuminazione industriali a LED offrono nuove opportunità per ripensare la progettazione e l'implementazione delle reti di illuminazione. A differenza delle tecnologie che di solito sostituiscono, i LED sono dimmerabili, il che consente di progettare città intelligenti e strutture intelligenti per Impresa 4.0 che integrano vari fattori come i modelli di traffico/utilizzo, l'ora del giorno e persino una serie di sensori per ottimizzare i livelli di illuminazione secondo le necessità.

In una città intelligente, le reti a maglie wireless sono una scelta naturale, ma nelle strutture per Impresa 4.0 il controllo può essere implementato con connettività wireless o Ethernet. Ethernet ha il vantaggio di fornire sia energia che comunicazioni. In entrambi i casi, è possibile integrare negli apparecchi sensori di temperatura, umidità e persino telecamere, aumentandone la funzionalità. Inoltre, è possibile monitorare le condizioni operative degli apparecchi stessi, come le temperature interne, i LED in cortocircuito o in circuito aperto e altri fattori, per programmare la manutenzione preventiva e ridurre i costi di esercizio.

Riepilogo

Come dimostrato, la progettazione di un sistema di illuminazione LED connesso affidabile ed efficiente inizia con la progettazione degli apparecchi di illuminazione. I LED devono essere selezionati per fornire il livello ottimale di lumen e l'uso di shunt può migliorare significativamente l'affidabilità e le prestazioni dell'apparecchio. L'uso di un'illuminazione LED connessa via cavo o wireless nelle città intelligenti e nelle strutture per Impresa 4.0 può ridurre i costi operativi e di manutenzione, oltre a ridurre il consumo energetico. Sono disponibili piattaforme di sviluppo complete per accelerare la progettazione e l'implementazione di soluzioni di illuminazione LED intelligenti e connesse.