Les systèmes d'éclairage à LED avec commandes sans fil sont de plus en plus utilisés dans les environnements de ville intelligente et d'industrie 4.0, car ils apportent de multiples avantages tels que des coûts énergétiques inférieurs (et une réduction correspondante des émissions de carbone), des niveaux d'éclairage contrôlables et des coûts de maintenance réduits grâce à une plus grande fiabilité et durée de vie utile des luminaires à LED. Pour être plus efficaces, ces systèmes d'éclairage à LED nécessitent un contrôleur d'éclairage avec plusieurs modes de fonctionnement, des capacités de détection et de protection, un rendement élevé et une large plage de tension de fonctionnement de 90 à 300 volts AC (Volts AC).CA), ainsi qu'un facteur de puissance (PF) élevé et une faible distorsion harmonique totale (THD). De plus, un microcontrôleur (MCU), un concentrateur de données et un émetteur-récepteur sans fil sont nécessaires pour compléter le système. La conception d'un système de contrôle d'éclairage LED sans fil à partir de zéro est une tâche multidisciplinaire qui comporte un niveau de risque important et peut retarder la mise sur le marché.
Au lieu de cela, les concepteurs peuvent utiliser des plates-formes de développement de contrôle d'éclairage LED pré-construites et connectées. Ces plates-formes sont très économes en énergie avec un PF élevé et disposent de commandes sans fil complètes (marche/arrêt, gradation et autres modes) et de plusieurs canaux LED contrôlés indépendamment offrant une flexibilité de conception maximale. Ils incluent des modules de communication sans fil prenant en charge des protocoles tels que Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee et 6LoWPAN. De plus, ils sont pris en charge par des environnements de développement qui incluent un micrologiciel personnalisable, des RTOS gratuits et divers cas d'utilisation.
Cet article commence par passer en revue le fonctionnement de base des LED et la construction des luminaires, ainsi que les paramètres de mesure de l'efficacité des LED et des luminaires. Analyse l'utilisation des robinets pour maximiser la fiabilité et les performances des luminaires dans les applications de ville intelligente et d'industrie 4.0. Il présente ensuite les plates-formes de développement d'entraînement et de contrôle pour l'éclairage LED connecté et les composants associés de STMicroelectronics et onsemi, ainsi que des considérations de conception et de mise en œuvre.
Le contrôle intelligent de l'éclairage LED commence par contrôler l'interaction entre les LED de chaque chaîne pour optimiser les performances du luminaire. Il comprend également une conversion de puissance intelligente et s'étend au contrôle sans fil de plusieurs luminaires, y compris le matériel et les logiciels, afin de maximiser les performances des réseaux d'éclairage public et d'éclairage industriel.
Un luminaire à LED typique comprend plusieurs LED en série dans une ou plusieurs chaînes. Chaque LED nécessite une tension de commande d'environ 3.5 V. Une chaîne contient généralement de 10 à 30 LED et fonctionne sur une alimentation de 40 à 100 V, consommant entre 0.35 et 1.0 A (A) de courant, selon la luminosité de chaque LED. (Figure 1).
Figure 1 : Deux chaînes de 16 LED chacune pour une utilisation dans des luminaires intelligents. (Source de l'image : onsemi)
La luminosité des sources lumineuses est quantifiée en lumens (lm) qui mesurent la luminosité apparente à l'œil humain et tiennent compte de la sensibilité de l'œil aux différentes longueurs d'onde de la lumière visible. L'efficacité avec laquelle une source lumineuse produit des lumens est appelée efficacité et se mesure en lumens par watt (lm/W). Les LED ont une efficacité plus élevée que les autres technologies d'éclairage courantes. Cependant, toutes les LED n'ont pas la même efficacité, et certaines ont des rendements nettement plus élevés que d'autres. De plus, une LED donnée peut produire plus de lumière si plus de courant lui est appliqué.
Les LED sont plus fiables que les autres technologies d'éclairage, mais elles ne sont pas parfaites. Les LED peuvent tomber en panne, surtout si elles sont fortement stimulées dans un luminaire à haut rendement, comme ceux utilisés dans l'éclairage public et l'éclairage industriel. La panne de la LED peut être un court-circuit ou un circuit ouvert. Si une LED d'une chaîne tombe en panne dans une condition de court-circuit, elle s'éteint, mais les autres LED de la chaîne continuent de fonctionner. Le courant continue de circuler à travers la LED court-circuitée, la chauffant jusqu'au point où elle peut devenir un circuit ouvert, provoquant l'obscurité de toute la chaîne.
LED de contournement
Les concepteurs de luminaires à LED sont mis au défi de fournir plus de lumens dans des luminaires plus petits. Cela nécessite souvent que les LED fonctionnent à des températures plus élevées pendant de longues périodes et peut entraîner une défaillance des LED. En particulier, les luminaires d'éclairage public devraient avoir une durée de vie pouvant aller jusqu'à 15 ans. Les shunts peuvent aider à concilier des demandes contradictoires pour une température de fonctionnement plus élevée et une durée de vie plus longue. Lorsqu'une LED ne s'ouvre pas, au lieu que la chaîne s'éteigne, le shunt contourne la LED et maintient la chaîne en marche normalement avec uniquement la LED défectueuse éteinte (Figure 2).
Figure 2 : Sans bypass, la panne d'une seule LED entraîne la perte de toute la chaîne (à gauche). Avec les shunts de dérivation, seule la LED défaillante est éteinte et les autres LED de la chaîne continuent de fonctionner (à droite). (Source de l'image : onsemi)
Il existe des shunts qui peuvent être utilisés pour shunter une ou deux LED, selon les besoins de conception du luminaire (figure 3). Le contournement de chaque LED permet une baisse de luminosité minimale si une LED tombe en panne, tandis que le contournement de deux LED réduit de moitié le nombre de contournements pour des solutions plus sensibles aux coûts. Par exemple, le NUD4700SNT1G d'onsemi peut être utilisé pour contourner les LED individuelles d'une chaîne, en se réinitialisant automatiquement si la LED se remet au travail ou est remplacée. Le LBP01-0810B de STMicroelectronics peut relier 1 ou 2 LED, ce qui augmente la flexibilité de conception et réduit le nombre de pièces. Le LBP01-0810B assure également une protection contre les surtensions définies dans les normes CEI 61000-4-2 et CEI 61000-4-5.
Figure 3 : Il y a des robinets à DEL (à l'intérieur des cases en pointillés) qui peuvent appuyer sur 1 (gauche) ou 2 (droite) DEL. (Source de l'image : onsemi)
Éclairage public intelligent
Les concepteurs de systèmes d'éclairage public intelligents peuvent se tourner vers la carte STEVAL-LLL006V1 de STMicroelectronics pour évaluer les options d'éclairage LED haute puissance (Figure 4). Le pilote d'éclairage LED HVLED001A intégré comprend divers modes de fonctionnement, mécanismes de détection et de protection, et produit un convertisseur de puissance intelligent et efficace à l'aide de MOSFET STP21N90K5. Ce pilote de LED utilise le circuit intégré de convertisseur haute tension hors ligne VIPER012LSTR pour fournir une sortie CC de 60 à 110 V avec un courant constant de 0.7 A. Pour répondre aux besoins des applications d'éclairage public intelligent, le contrôleur de pilote de LED a une plage d'entrée de 90 à 300 VCA, un FP supérieur à 0.97 et un THD inférieur à 15 %. Le module émetteur-récepteur SPSGRFC sous-1 GigaHertz (GHz) peut être utilisé pour recevoir des commandes d'activation, de désactivation et de gradation et les envoyer au microcontrôleur STM32L071KZ intégré. Prend en charge cinq niveaux de régulation analogique.
Figure 4 : La carte de développement d'éclairage LED STEVAL-LLL006V1 fait partie d'une plate-forme qui inclut la gestion de l'alimentation et la connectivité sans fil. (Source de l'image : STMicroelectronics)
Outils de développement
Pour accélérer le processus de développement et améliorer les fonctionnalités de la carte d'évaluation STEVAL-LLL006V1, une unité de concentration de données (DCU) et une application mobile Android sont disponibles. Le DCU est un environnement d'évaluation intégré construit sur la plate-forme NUCLEO-F401RE. Il comprend une carte X-NUCLEO-IDS01A4 pour la communication en dessous de 1 GHz avec le STEVAL-LLL006V1 et une carte X-NUCLEO-IDB05A2 pour la communication Bluetooth avec un appareil mobile. STMicroelectronics propose également son application mobile 6LoWPAN Smart Streetlight, qui peut être utilisée pour mailler des contrôleurs de lampadaires intelligents et évaluer la fonctionnalité du réseau.
éclairage LED industriel
Les solutions d'éclairage LED connectées industrielles peuvent être prototypées à l'aide de la plateforme d'éclairage connecté LIGHTING-1-GEVK d'onsemi. Cette plate-forme de développement comprend un contrôle sans fil, la possibilité d'utiliser une alimentation CA/CC hors ligne ou une alimentation par Ethernet (PoE) en option, un module LED et un module pilote LED, ainsi qu'une connectivité BLE pour lier le tout. Les options de contrôle disponibles incluent l'utilisation de l'application mobile RSL10 Sense and Control d'onsemi ou d'un client Web. Cette plate-forme de développement comprend un RTOS gratuit, un pack CMSIS avec un micrologiciel personnalisable et divers cas d'utilisation pour commencer à explorer l'utilisation de solutions d'éclairage LED industrielles connectées.
Le kit de démarrage LIGHTING-1-GEVK comprend un pilote LED double, une carte LED avec deux chaînes LED, une alimentation AC/DC et un module de communication BLE (figure 5). Un module d'alimentation PoE est disponible séparément et peut fournir jusqu'à 90 W. Certaines spécifications clés des différentes cartes du kit sont :
- Pilote LED double – Comprend deux pilotes LED FL7760 qui fournissent jusqu'à 25 W chacun avec une efficacité allant jusqu'à 96 %, une gradation de 4,000 0.6 étapes jusqu'à XNUMX %, des données de télémétrie comprenant des mesures de courant et de tension pour chaque pilote LED et un en-tête pour le MCU enfichable. module prenant en charge la connectivité sans fil.
- Plaque LED : deux canaux indépendants avec 16 LED dans chaque canal. L'un des canaux est équipé de LED de 121 lm et l'autre de LED de 95 lm, pour une luminosité totale disponible de 7,000 XNUMX lm.
- Alimentation AC/DC : comprend deux pilotes flyback de régulation côté primaire FL7740 avec PFC, fonctionne sur une plage d'entrée de 90 à 270 VCA, produit une sortie de 70 W à 55 V pour alimenter la carte de commande LED, avec un PF supérieur à 0.99 et une efficacité supérieure à 91 %.
- Module BLE : La plateforme d'éclairage connecté utilise trois services BLE ; le service de contrôle d'éclairage utilisé par les appareils connectés pour lire et modifier l'état des LED à distance, le service de télémétrie utilisé par les appareils connectés pour surveiller la tension et le courant dans les drivers de LED, et l'alimentation PoE qui fournit des informations sur les limites de puissance PoE imposées au périphérique par l'injecteur de puissance PoE.
Figure 5 : Le kit de développement de démarrage comprend un pilote LED double, une chaîne LED double, une alimentation CA/CC et un module de connectivité BLE. (Source de l'image : onsemi)
cartes d'extension
Deux cartes d'extension sont disponibles pour le kit LIGHTING-1-GEVK, le commutateur de récupération d'énergie BLE-SWITCH001-GEVB et la carte multi-capteurs MULTI-SENSE-GEVB (Figure 6). La luminosité de la LED peut être contrôlée avec le commutateur BLE. La luminosité augmente lorsque le commutateur est maintenu enfoncé. L'intensité lumineuse reste constante lorsque l'interrupteur est relâché ou lorsque la pleine luminosité est atteinte. La luminosité est réduite en appuyant une deuxième fois sur l'interrupteur. La carte multi-capteurs prend en charge le prototypage de systèmes comprenant un capteur de lumière ambiante, des capteurs environnementaux ou un capteur de mouvement inertiel.
Figure 6 : Deux cartes d'extension sont disponibles pour le kit LIGHTING-1-GEVK, un commutateur BLE et une carte multi-capteurs (boîte verte supérieure). (Source de l'image : onsemi)
Options de conception et de déploiement
Les lampadaires et luminaires industriels à LED offrent de nouvelles opportunités pour repenser la conception et le déploiement des réseaux d'éclairage. Contrairement aux technologies qu'elles remplacent généralement, les LED sont à intensité variable, ce qui crée des opportunités pour concevoir des villes intelligentes et des installations intelligentes de l'Industrie 4.0 qui intègrent divers facteurs tels que les modèles de trafic/d'utilisation, l'heure de la journée et même une suite de capteurs pour optimiser les niveaux d'éclairage selon les besoins.
Dans une ville intelligente, les réseaux maillés sans fil sont un choix naturel, mais dans les installations de l'industrie 4.0, le contrôle peut être mis en œuvre avec une connectivité sans fil ou Ethernet. Ethernet a l'avantage de fournir à la fois l'alimentation et les communications. Dans les deux cas, des capteurs de température et d'humidité et même des caméras peuvent être intégrés dans les luminaires, augmentant ainsi leur fonctionnalité. De plus, les conditions de fonctionnement des luminaires eux-mêmes, telles que les températures internes, les LED en court-circuit ou ouvertes et d'autres facteurs, peuvent être surveillées pour faciliter la planification de la maintenance préventive et réduire les coûts d'exploitation.
Résumé
Comme démontré, la conception d'un système d'éclairage LED connecté fiable et efficace commence par la conception des luminaires. Les LED doivent être sélectionnées pour fournir le niveau optimal de lumens, et l'utilisation de robinets peut améliorer considérablement la fiabilité et les performances du luminaire. L'utilisation d'un éclairage LED connecté avec ou sans fil dans les villes intelligentes et les installations de l'Industrie 4.0 peut réduire les coûts de maintenance et d'exploitation permanents, ainsi que la consommation d'énergie. Des plateformes de développement complètes sont disponibles pour aider à accélérer la conception et le déploiement de solutions d'éclairage LED intelligentes et connectées.
