כיצד לפרוס אמצעי בקרה אלחוטיים של תאורת LED בערים חכמות ובניינים תעשייתיים

השימוש במערכות תאורת LED‏ עם אמצעי בקרה אלחוטיים בערים חכמות ומסגרות Industry 4.0 הולך וגדל בגלל שמביא יתרונות מרובים, כולל עלויות אנרגיה נמוכות יותר (והפחתה מקבילה בפליטות פחמן), רמות תאורה ניתנות לבקרה ועלויות אחזקה מופחתות של גופי תאורת LED בעלי אמינות גבוהה יותר וחיי עבודה ארוכים יותר. כדי להיות אפקטיבים ביותר, מערכות תאורת LED‏ אלו דורשות אמצעי בקרת‏ תאורה בעל אופני עבודה שונים, מאפייני חישה והגנה, ועוד נצילות גבוהה ותחום מתחי עבודה‏ רחב מ-‏90‏ עד 300 וולט זרם-חילופין (V_AC), יחד עם גורם הספק (PF) גבוה ועיוותים הרמוניים כוללים (THD) נמוכים. נוסף לכך, כדי להשלים את המערכת דרושים‏ מיקרו-בקר (MCU), רכז נתונים (data concentrator) ומקמ"ש אלחוטי. תכנון מערכת בקרה של תאורת LED‏ אלחוטית מאפס היא משימה ‏מרובת-תחומים הנושאת רמת סיכון משמעותית ויכולה לעקב זמן יציאה לשוק.

במקום זה, מתכננים יכולים להשתמש בפלטפורמות פיתוח בקרת תאורת LED‏ מקושרות מתוכננות-מראש. פלטפורמות אלו הן יעילות אנרגטית במידה רבה, עם PF גבוה, וכוללות אמצעי בקרה אלחוטיים מקיפים (הדלקה/כיבוי, עמעום ואופני עבודה אחרים) וערוצי LED‏ מרובים מבוקרים עצמאית המספקים גמישות תכנון מקסימלית. הן כוללות מודולי תקשורת אלחוטית התומכים בפרוטוקולים כגון Bluetooth low-energy‏ (BLE‏), Zigbee‏ ו-6LoWPAN‏. נוסף לכך, הן נתמכות על ידי סביבות פיתוח הכוללות קושחה ניתנת להתאמה-מיוחדת, RTOS חינמי, ומקרי שימוש שונים.

מאמר זה מתחיל על ידי סקירת עבודה בסיסית של נורות LED‏ ומבנה גוף תאורה ועוד מדדים למדידת הנצילות של נורות LED‏ וגופי תאורה. המאמר דן בשימוש במצדים (Shunts) למקסום אמינות וביצועי גוף תאורה ביישומי עיר חכמה ו-Industry 4.0‏. אחר כך הוא מציג פלטפורמות פיתוח בקרת ודחיפת תאורת LED‏ מקושרות מתוכננות-מראש, ורכיבים קשורים, מבית STMicroelectronics ו-onsemi‏, יחד עם שיקולי תכנון ופריסה.

בקרת תאורת LED‏ חכמה מתחילה עם בקרת האינטראקציה בין נורות LED‏ בכל מחרוזת למיטוב ביצועי גוף תאורה. היא גם כוללת המרת הספק חכמה, ומתרחבת לבקרה אלחוטית של גופי תאורה מרובים, כולל חומרה כמו גם תוכנה, למקסום הביצועים של תאורת רחוב ורשתות תאורה תעשייתית.

גוף תאורת LED אופייני כולל נורות LED‏ מרובות בטור במחרוזת אחת או יותר. כל נורת LED‏ דורשת‏ מתח דחיפה של בערך ‎3.5 V‏. מחרוזת בדרך כלל כוללת מ-10 עד 30 נורות LED‏ ועובדת מאספקה של 40 עד V‏ 100‏, מושכת זרם בערך בין 0.35 ל-1.0 אמפר (A‏), תלוי בבהירות נורות ה-LED האינדיבידואליות‏ (איור 1‏).

איור 1‏: שתי מחרוזות של 16 נורות LED‏ כ"א לשימוש בגופי תאורה חכמים. (מקור התמונה: onsemi‏)

הבהירות של מקורות אור נמדדת בלומן (lm‏), יחידה המודדת את הבהירות הנראית לעין האדם ולוקחת בחשבון את רגישות העין לאורכי גל שונים של האור הנראה. היעילות בה מקור אור מייצר ערך לומן מסוים נקראת efficacy (נצילות אורית) ונמדדת בלומן לוואט (lm/W‏). נורות LED‏ הן בעלות נצילות אורית (efficacy) גבוהה יותר מטכנולוגיות תאורה מקובלות אחרות. עם זאת, לא כל נורות ה-LED‏ הן יעילות באותה המידה, וחלקן הן בעלות נצילות אורית גבוהה משמעותית מאחרות. יתר על כן, ‏נורת LED‏ נתונה יכולה ליצר יותר אור אם נדחפת על ידי זרם גבוה יותר.

נורות LED‏ הן אמינות יותר מטכנולוגיות תאורה אחרות, אך הן לא מושלמות. נורות LED‏ יכולות להתקלקל, במיוחד אם הן נדחפות בחוזקה בגוף תאורה עם ביצועים-עיליים כגון אלו המשמשות לתאורת רחוב ותאורה תעשייתית. תקלת נורת LED‏ יכולה להיות קצר או נתק מעגל. אם‏ נורת LED‏ במחרוזת יוצאת מכלל שימוש בגלל תנאי קצר‏ מעגל, היא מפסיקה להאיר אך נורות ה-LED הנותרות במחרוזת ימשיכו לעבוד. זרם ממשיך לזרום דרך נורת ה-LED המקוצרת, מחמם אותה עד לנקודה שבה היא יכולה להפוך לנתק מעגל, דבר שיגרום למחרוזת כולה להפסיק להאיר.

הוספת מצד (Shunt) לנורות LED‏

מתכנני גוף תאורה LED‏ מאותגרים לספק לומן (lumens) גבוה יותר בגופי תאורה קטנים יותר. לעתים קרובות זה דורש שנורות ה-LED יעבדו בטמפרטורות גבוהות יותר לפרקי זמן ארוכים, דבר שיכול לגרום לתקלות LED. מגופי תאורה של תאורת רחוב, במיוחד, מצפים שיהיו בעלי חיי עבודה ארוכים של עד 15 שנים. מצדי (Shunts) מעקף יכולים לעזור לישר את ההדורים בין דרישות סותרות לטמפרטורות עבודה גבוהות יותר וחיי עבודה ארוכים. כשנורת LED‏ כושלת בשל נתק מעגל, במקום שהמחרוזת תכבה, המצד (Shunt) עוקף את נורת ה-LED ושומר על המשך עבודת המחרוזת באופן נורמלי ורק נורת ה-LED שכשלה תכבה. (איור 2‏).

איור 2: ללא מצדי (Shunts) מעקף, כתוצאה מכשל של נורת LED בודדת כל המחרוזת נכבית (שמאל). עם מצדי (Shunts) מעקף, רק נורת ה-LED שכשלה נכבית, ונורות ה-LED הנותרות במחרוזת ממשיכות לעבוד (ימין). (מקור תמונה: onsemi‏)

קיימים מצדים (Shunts) הניתנים לשימוש לעקיפה של נורת LED אחת או שתיים, תלוי בצרכי תכן גוף התאורה (איור 3‏). עקיפה של כל נורת LED‏ תומכת בירידה מינימלית בבהירות במקרה שנורת LED אחת מתקלקלת, בעוד עקיפה של שתי נורות LED מקטינה את מספר המצדים בחצי עבור פתרונות יותר רגישים-לעלות.‏ לדוגמה, ה-NUD4700SNT1G מבית onsemi‏ יכול לשמש לעקיפת נורות LED‏ אינדיבידואליות במחרוזת, והוא מתאפס אוטומטית אם נורת ה-LED‏ מתחילה לעבוד מחדש או אם היא מוחלפת. ה-LBP01-0810B מבית STMicroelectronics יכול לעקוף נורת LED‏ אחת או שתיים, מגדיל גמישות תכנון ומפחית מספר חלקים. ה-LBP01-0810B גם מספק הגנת מתח-יתר מפני נחשולים מוגדרים ב-IEC61000-4-2‏ ו-IEC 61000-4-5.

איור 3: קיימים מצדי (Shunts)‏ LED‏ (בתוך המלבנים המקווקווים) שיכולים לעקוף נורת LED אחת (שמאל) או שתיים (ימין). (מקור תמונה: onsemi‏)

תאורת רחוב חכמה

מתכננים של מערכות תאורת רחוב חכמה יכולים לפנות אל לוח ה-STEVAL-LLL006V1 מבית STMicroelectronics כדי להעריך אפשרויות תאורת LED‏ הספק-גבוה (איור 4‏). בקר תאורת ה-LED המשולב HVLED001A כולל אופני פעולה שונים, חישה ומנגנוני הגנה, ומייצר ממיר הספק יעיל‏ ואינטליגנטי תוך שימוש בטרנזיסטורי MOSFET ‏STP21N90K5‏. לוח דוחף ה-LED‏ משתמש במעגל-המשולב ממיר מתח-גבוה off-line ‏VIPER012LSTR כדי לספק יציאה של 60 עד V‏ 110‏ זרם ישר (dc), עם‏ זרם קבוע של 0.7‎ A. כדי לעמוד בצרכים של יישומי תאורת רחוב חכמה, הדוחף הוא בעל תחום כניסה של ‏90‏ עד ‎300 V_AC‏, PF מעל 0.97 ו-THD מתחת 15%. מודול המקמ"ש התת-1 גיגה-הרץ (GHz) ‏SPSGRFC יכול לשמש לקבלת פקודות הדלקה, כיבוי ועמעום ולשלוח אותן למיקרו-בקר המשולב STM32L071KZ. הוא תומך בחמש רמות של עמעום אנלוגי.

איור 4‏: לוח הפיתוח תאורת LED ‏STEVAL-LLL006V1 הוא חלק‏ מפלטפורמה הכוללת ניהול הספק וקישוריות אלחוטית. (מקור תמונה: STMicroelectronics)

כלי פיתוח

כדי להאיץ את תהליך הפיתוח ולהדגיש את הפונקציונליות של לוח ההערכה STEVAL-LLL006V1, קיימים יישום נייד Android ויחידת רכז נתונים (data concentrator) ‏(DCU). ה-DCU היא סביבת הערכה משולבת הבנויה על פלטפורמת ה-‏NUCLEO-F401RE‏. היא כוללת לוח X-NUCLEO-IDS01A4 עבור תקשורת תת-‎1 GHz עם ה-STEVAL-LLL006V1, ולוח X-NUCLEO-IDB05A2 עבור תקשורת Bluetooth‏ עם‏ התקן נייד. STMicroelectronics גם מציעה את היישום הנייד 6LoWPAN Smart Streetlight שלה, שניתן לשימוש ליצירת רשת של בקרי תאורת רחוב חכמה ולהעריך פונקציונליות רשת.

תאורת LED‏ תעשייתית

ניתן לבנות אב-טיפוס של פתרונות מקושרים של תאורת LED תעשייתית תוך שימוש בפלטפורמת תאורה מקושרת LIGHTING-1-GEVK מבית onsemi‏. פלטפורמת פיתוח זו כוללת בקרה אלחוטית, הבחירה להשתמש בספק-כוח ‏ac/dc ‏off-line או במקור כוח Power Over Ethernet‏ (PoE), ‏מודול LED ומודול‏ דוחף LED‏, ועוד מודול קישוריות BLE ‏כדי לקשור הכל ביחד. אפשרויות בקרה קיימות כוללות שימוש ביישום נייד חישה ובקרה RSL10 של onsemi או לקוח (Client‏)‏ אינטרנטי. פלטפורמת פיתוח זו כוללת RTOS‏ חינמי, חבילת‏ CMSIS‏ עם קושחה ניתנת-להתאמה-מיוחדת, ומספר מקרי שימוש כדי להתחיל לבחון את השימוש בפתרונות תאורת LED תעשייתיים מקושרים.

הערכה הבסיסית LIGHTING-1-GEVK כוללת דוחף LED‏ כפול, לוח LED‏ עם שתי מחרוזות LED, ספק-כוח ac/dc‏ ומודול תקשורת‏ BLE‏ (איור 5‏). קיים בנפרד מודול אספקת-כוח PoE שיכול לספק עד W‏ 90‏. מפרטי מפתח מסוימים של הלוחות השונים בערכה כוללים:

• דוחף LED כפול‏: כולל שני דוחפי LED‏ FL7760 המספקים עד W‏ 25‏ כ"א עם נצילות של עד 96%, 4,000 צעדי עמעום, מטה עד %‏0.6‏, נתוני טלמטריה כולל מדידות זרם ומתח עבור כל דוחף LED ופס-פינים עבור מודול ה-MCU הנתקע כדי לתמוך בקישוריות אלחוטית.
• לוח LED‏: שני ערוצים עצמאיים עם 16 נורות LED‏ בכל ערוץ. ערוץ אחד הוא בעל נורות LED מדורגות 121‎ lm‏, והערוץ השני הוא בעל נורות LED‏ מדורגות 95‎ lm, עבור בהירות זמינה כוללת של ‎7,000 lm‏.
• ספק-כוח AC/DC‏: כולל שני בקרי Flyback ייצוב צד-ראשוני FL7740 עם PFC‏, עובד בתחום כניסה של ‏90‏ עד 270‎ V_AC, מייצר‏ יציאה של ‎70 W ב-‎55 V כדי להזין את לוח דוחף ה-LED, עם PF מעל 0.99 ונצילות מעל 91%.
• מודול BLE‏: פלטפורמת התאורה המקושרת משתמשת בשלושה שירותי BLE‏; התקנים מחוברים משתמשים בשירות בקרת תאורה כדי לקרוא ולשנות מרחוק את מצב נורות ה-LED, התקנים מחוברים משתמשים בשירות טלמטריה כדי לנטר את המתח והזרם בדוחפי ה-LED‏, ושירות אספקת הכוח PoE‎ מספק אינפורמציה אודות גבולות הספק ‎ PoEנכפים על ההתקן על ידי מזרק הכוח PoE.

איור 5: ערכת הפיתוח הבסיסית כוללת דוחף LED‏ כפול, שתי מחרוזות LED, ספק-כוח ac/dc‏ ומודול קישוריות‏ BLE‏. (מקור תמונה: onsemi‏)

לוחות הרחבה

קיימים שני לוחות הרחבה עבור ערכת ה-LIGHTING-1-GEVK, מתג ה-BLE‏ קצירת אנרגיה BLE-SWITCH001-GEVB‏ ולוח מרובה-החיישנים MULTI-SENSE-GEVB (איור 6‏). ניתן לשלוט על בהירות LED‏ עם מתג ה-BLE. בהירות עולה כשהמתג נלחץ ומוחזק במצב לחוץ. עוצמת אור נשארת קבועה כשהמתג משוחרר או כשמגיעים לבהירות מקסימלית. בהירות יורדת על ידי לחיצה על המתג פעם‏ שנייה. לוח החיישנים-המרובים תומך בבניית אב-טיפוס של מערכות הכוללות חיישן אור סביבה, חיישנים סביבתיים ו/או חיישן תנועה אינרציאלית.

איור 6: קיימים שני לוחות הרחבה עבור ערכת ה-LIGHTING-1-GEVK, מתג BLE ולוח חיישנים-מרובים (מלבן ירוק עליון). (מקור התמונה: onsemi‏)

אפשרויות תכנון ופריסה

תאורת רחוב LED‏ וגופי תאורה תעשייתיים מביאים הזדמנויות חדשות לחשיבה-מחדש על התכנון והפריסה של רשתות תאורה. בניגוד לטכנולוגיות אותן הן בדרך כלל מחליפות, נורות LED‏ ניתנות לעמעום, מה שיוצר הזדמנויות לתכנן ערים חכמות ומתקני Industry 4.0‏ חכמים המשלבים גורמים שונים כגון דפוסי שימוש/תנועה, שעה ביום, ואפילו סט חיישנים למיטוב רמות תאורה לפי הצורך.

בעיר‏ חכמה, רשתות mesh‏‏ הן בחירה טבעית, אך במתקני Industry 4.0‏ ניתן לממש בקרה עם קישוריות אלחוטית או Ethernet‏. היתרון של Ethernet‏ הוא שהוא יכול להעביר אספקת-כוח כמו גם תקשורת. בכל אחד מהמקרים, ניתן לשלב בגופי התאורה חיישני טמפרטורה, לחות ואפילו מצלמה, ובכך להגדיל את הפונקציונליות שלהם. נוסף לכך, תנאי העבודה של גופי התאורה עצמם, כמו טמפרטורות פנימיות, נורות LED מקוצרות או פתוחות וגורמים אחרים, ניתנים לניטור כדי לסייע לתכנן תחזוקה מונעת ולהקטין עלויות הפעלה.

סיכום

כמתואר, תכנון מערכת ‏תאורת LED מקושרת יעילה ואמינה מתחיל עם התכנון של גופי התאורה. יש לבחור את נורות ה-LED‏ כך שיספקו את הרמה האופטימלית של לומן, והשימוש במצדים (Shunts) יכול לשפר משמעותית אמינות וביצועים של גוף תאורה. השימוש בקישוריות תאורת LED‏ חוטית או אלחוטית בערים חכמות ומתקני Industry 4.0‏ יכול להפחית תחזוקה מתמשכת ועלויות הפעלה, בנוסף להפחתת צריכת אנרגיה. קיימות פלטפורמות פיתוח מקיפות כדי לסייע בהאצת התכנון והפריסה של פתרונות תאורת LED מקושרים חכמים.