Driver LED systémů mají různé provozní režimy, které umožňují dosáhnout vysoké účinnosti. Driver by měl obsahovat obvody pro měření proudu, ochranné obvody a jeho rozsah provozního napětí by měl být od 90 do 300 VAC. Součástí moderního driveru by měl mít také mikrokontroler a bezdrátový transceiver. Návrh bezdrátové části není snadný úkol a může zpozdit celý vývojový proces.
Proto existují vývojové platformy určené přímo pro ovládání LED osvětlení. Tyto platformy jsou energeticky účinné, mají vysoký účiník PF a je možné s nimi vzdáleně řídit svítidlo (zapnout / vypnout i stmívat). Výhodou je také to, že obsahují několik nezávisle řízených LED kanálů, které poskytují maximální flexibilitu designu. Pro bezdrátovou komunikaci se využívá Bluetooth low energy, Zigbee nebo 6LoWPAN.
V článku si představíme platformy pro vývoj driverů pro LED osvětlení a související komponenty od STMicroelectronics a Onsemi. Typické LED svítidlo obsahuje několik LED diod zapojených do série v jednom nebo více řetězcích (strings). Každá LED dioda vyžaduje napájecí napětí okolo 3,5 V. Řetězec (string) obvykle obsahuje 10 až 30 LED diod a je napájen ze zdroje o hodnotě 40 až 100 V, přičemž odebírá proud 0,35 až 1,0 A, v závislosti na jasu jednotlivé LED diody (obrázek 1).
Obrázek 1: Dva řetězce po 16 LED, které se používají v chytrých svítidlech. (Zdroj obrázku: onsemi)
Jas světelného zdroje se udává v lumenech (lm). Účinnost světelného zdroje se udává v lumenech na watt (lm/W). LED diody mají obecně vyšší účinnost než jiné technologie použité pro osvětlení.
Ne všechny LED diody jsou však stejně účinné. LED diody jsou sice spolehlivější než jiné technologie osvětlení, ale nejsou dokonalé. LED diody jsou citlivé na velikost procházejícího proudu, a proto jejich použití ve vysoko výkonných systémech (pouliční a průmyslové osvětlení) může být problematické.
Porucha LED diody se může projevovat buď zkratem nebo přerušeným obvodem. Pokud se LED dioda v řetězci zkratuje, zhasne, ale zbývající LED v řetězci nadále fungují. Proud ale dále protéká zkratovanou LED diodou a zahřívá ji do bodu, kdy přejde do stavu otevřeného obvodu (vysoká impedance) a to způsobí, že celý řetězec zhasne.
Použití bočníku (Shunting LEDs)
Cílem návrhu LED svítidel je získat co nejvíce lumenů z malé plochy. To vyžaduje, aby LED diody pracovaly při vyšších teplotách po delší dobu, a to může vést k poruchám. Zejména u svítidel veřejného osvětlení se očekává provozní životnost až 15 let. Bočníky právě umožňují sladit protichůdné požadavky na vyšší provozní teplotu a prodlouženou životnost. Pomocí bočníku se vadná LED dioda ve stavu vysoké impedance přemostí a místo toho, aby celý řetězec byl vyřazen z provozu, tak pouze vadná LED dioda nesvítí. (obrázek 2).
Obrázek 2: Bez bočníku jediná porucha LED diody vyřadí z provozu celý řetězec (vlevo). V případě použití bočníku pouze vadná LED dioda nesvítí a zbývající LED diody v řetězci pokračují v činnosti (vpravo). (Zdroj obrázku: onsemi)
K dispozici jsou bočníky, které lze použít k přemostění jedné nebo dvou LED diod v závislosti na konstrukci svítidla (obrázek 3). Přemostění se provádí buď jednotlivě u každé LED diody nebo se přemosťuje po dvou. NUD4700SNT1G od onsemi umožňuje přemostění každé LED diod v řetězci a automaticky se resetuje, pokud LED dioda obnoví svůj provoz nebo dojde k její vyměně. LBP01-0810B od STMicroelectronics může přemostit buď 1 nebo 2 LED diody. LBP01-0810B také poskytuje přepěťovou ochranu definovanou v IEC 61000-4-2 a IEC 61000-4-5.
Obrázek 3: K dispozici jsou bočníky, které dokáží přemostit jednu (vlevo) nebo dvě (vpravo) LED diody. (Zdroj obrázku: onsemi)
Chytré pouliční osvětlení
Pro návrh inteligentního pouličního osvětlení lze využít desku STEVAL-LLL006V1 od STMicroelectronic, která je vhodná pro osvětlení s vysokým výkonem (obrázek 4). Integrovaný LED driver HVLED001A nabízí různé provozní režimy, snímací a ochranné mechanismy a vytváří inteligentní a účinný měnič energie využívající MOSFETy STP21N90K5.
LED Driver využívá vysokonapěťový měnič VIPER012LSTR, který poskytuje napěťový výstup 60 až 110 V s konstantním stejnosměrným proudem 0,7 A. Deska splňuje požadavky pro aplikace chytrého pouličního osvětlení (90 až 300 V AC , PF nad 0,97 a THD pod 15 %.) Deska má vestavěný Sub-1 Ghz transceiver SPSGRFC, který lze využít pro příjem povelů k zapnutí, vypnutí, stmívání (je podporováno až 5 úrovní stmívání) a jejich odeslání do mikrokontroleru STM32L071KZ.
Obrázek 4: Vývojová deska STEVAL-LLL006V1 je součástí platformy, která obsahuje správu napájení i bezdrátové připojení. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)
Vývojové nástroje
Pro vývojový proces a práci s deskou STEVAL-LLL006V1 eval je k dispozici tzv. koncentrátor dat (DCU - data concentrator unit) a mobilní aplikace pro Android. Koncentrátor dat DCU je postavený na platformě NUCLEO-F401RE. STMicroelectronics nabízí mobilní aplikaci 6LoWPAN Smart Streetlight, kterou lze použít k vytvoření sítě inteligentních driverů pouličního osvětlení.
Průmyslové LED osvětlení
Pro prototyp propojeného průmyslového LED osvětlení lze použít LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform od onsemi. Tato vývojová platforma obsahuje bezdrátové ovládání, napájení ze střídavého/stejnosměrného zdroje nebo napájení přes Ethernet (PoE), LED modul, LED driver a modul pro komunikaci pomocí BLE. K dispozici je mobilní aplikace onsemi RSL10 Sense and Control nebo webový klient. Tato vývojová platforma obsahuje Free RTOS, CMSIS-Pack s přizpůsobitelným firmwarem a několik příkladů průmyslového LED řešení osvětlení.
Základní sada LIGHTING-1-GEVK obsahuje duální LED driver, LED desku se dvěma LED řetězci, AC/DC napájecí zdroj a BLE komunikační modul (obrázek 5). K dispozici je také napájecí modul PoE, který je schopen dodat až 90 W.
Klíčové vlastnosti jednotlivých desek v sadě:
- Duální ovladač LED: obsahuje dva LED drivery FL7760, který každý dodává 25 W s účinností až 96 %. Driver nabízí 4 000 kroků pro stmívání až na hodnotu 0,6 %, telemetrická data včetně měření proudu a napětí pro každý LED driver a podporu bezdrátového připojení.
- LED deska: dva nezávislé kanály s 16 LED diodami v každém kanálu. Jeden kanál má LED diody dimenzované na 121 lm a druhý kanál má LED diody dimenzované na 95 lm. Celkový dostupný jas je 7 000 lm.
- AC/DC napájecí zdroj: obsahuje dva FL7740 s regulátory účiníku PFC. Pracuje ve vstupním rozsahu napájení od 90 do 270 VAC, produkuje výkon 70 W při výstupu 55 V, s účiníkem PF nad 0,99 a účinností přes 91 %.
- Modul BLE: Připojená osvětlovací platforma využívá tři služby BLE; služba ovládání osvětlení používaná ke vzdálenému čtení a změně stavu LED diod, telemetrická služba používaná ke sledování napětí a proudu v LED driverech a služba dodávky napájení PoE poskytující informace o limitech napájení PoE.
Obrázek 5: Základní vývojová sada obsahuje duální LED ovladač, duální LED řetězec, AC/DC napájecí zdroj a BLE propojovací modul. (Zdroj obrázku: onsemi)
Rozšiřující desky
Pro sadu LIGHTING-1-GEVK jsou k dispozici dvě rozšiřující desky, BLE-SWITCH001-GEVB (energy harvesting BLE switch) a multisenzorová deska MULTI-SENSE-GEVB (obrázek 6). Jas LED diod lze ovládat pomocí bezdrátového tlačítka BLE. Při stisknutí a podržení tlačítka se jas zvýší. Druhým stisknutím tlačítka se jas sníží. Multisenzorová deska obsahuje senzor okolního světla, senzory prostředí a senzor inerciálního pohybu.
Obrázek 6: Pro sadu LIGHTING-1-GEVK jsou k dispozici dvě rozšiřující desky, tlačítko BLE a multisenzorovou desku (horní zelený rámeček). (Zdroj obrázku: onsemi)
Možnosti návrhu a nasazení
Pouliční LED a průmyslová svítidla přinášejí nové příležitosti k přehodnocení návrhu a rozmístění osvětlovacích sítí. Na rozdíl od technologií, které obvykle nahrazují, jsou LED diody stmívatelné, a to vytváří příležitosti k navrhování chytrých měst a zařízení chytrého průmyslu 4.0. Osvětlení lze optimalizovat podle potřeby například dle dopravní situace či denní doby.
V chytrém městě jsou bezdrátové mesh sítě přirozenou volbou, ale v zařízeních Průmyslu 4.0 lze řízení implementovat pomocí ethernetového připojení. Výhodou Ethernetu je současné poskytování napájení i komunikace v jednom kabelu. V obou případech lze do svítidel integrovat teplotní, vlhkostní a dokonce i kamerový senzor, čímž se zvýší jejich funkčnost. Kromě toho lze monitorovat provozní podmínky samotných svítidel, jako je vnitřní teplota, zkratované nebo rozpojené jednotlivé LED diody a další faktory, které pomohou naplánovat preventivní údržbu a snížit provozní náklady.
Závěr
Návrh spolehlivého a efektivního systému LED osvětlení začíná návrhem svítidla. LED je třeba vybrat tak, aby poskytovaly optimální úroveň jasu. Použití bočníků může výrazně zlepšit spolehlivost a výkon svítidla. Použití drátové nebo bezdrátové komunikace lze optimalizovat LED osvětlení v chytrých městech a průmyslu dle aktuální situace. Kromě snížení spotřeby energie lze snížit také náklady na průběžnou údržbu a provoz. K dispozici jsou komplexní vývojové platformy, které pomáhají urychlit návrh a umožňují vytvoření prototypu chytrého LED osvětlení.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
