Como implantar controles sem fio de iluminação LED em cidades e edifícios industriais inteligentes

O uso de sistemas de iluminação LED com controles sem fio em ambientes de cidade inteligente e da indústria 4.0 está crescendo porque traz muitos benefícios, incluindo menores custos de energia (e uma redução correspondente nas emissões de carbono), níveis de iluminação controláveis, e custos de manutenção reduzidos devido à maior confiabilidade e vida útil mais longa das luminárias LED. Para serem mais eficazes, estes sistemas de iluminação LED precisam de um controlador de iluminação com vários modos de operação, características de detecção e proteção, além de alta eficiência e uma ampla faixa de tensão operacional de 90 a 300 volts de corrente alternada (V_CA), junto com alto fator de potência (PF) e baixa distorção harmônica total (THD). Além disso, um microcontrolador (MCU), concentrador de dados e transceptor sem fio são necessários para completar o sistema. Projetar um sistema de controle sem fio de iluminação LED do zero é uma tarefa multidisciplinar que carrega um nível de risco significativo e pode atrasar o tempo de colocação no mercado.

Em vez disso, os projetistas podem usar plataformas pré-concebidas de desenvolvimento de controle conectado de iluminação LED. Estas plataformas são altamente eficientes em termos energéticos, com alto PF, e apresentam controles sem fio abrangentes (liga/desliga, atenuação e outros modos) e múltiplos canais de LED controlados independentemente que proporcionam a máxima flexibilidade de projeto. Incluem módulos de comunicação sem fio que suportam protocolos como Bluetooth de baixa energia (BLE), Zigbee e 6LoWPAN. Além disso, são suportadas por ambientes de desenvolvimento que incluem firmware personalizável, Free RTOS e vários casos de uso.

Este artigo começa com uma revisão do funcionamento básico dos LEDs e da construção da luminária, além de métricas para medir a eficiência dos LEDs e luminárias. Discute o uso de derivações, ou shunts, para maximizar a confiabilidade e o desempenho da luminária em aplicações de cidade inteligente e da indústria 4.0. Em seguida, apresenta plataformas pré-concebidas de desenvolvimento de controle conectado e acionamento de iluminação LED e componentes relacionados, da STMicroelectronics e onsemi, junto com considerações de projeto e implantação.

O controle inteligente da iluminação LED começa com o controle da interação entre os LEDs em cada cadeia para otimizar o desempenho da luminária. Também inclui conversão inteligente de energia e se estende ao controle sem fio de múltiplas luminárias, incluindo tanto hardware quanto software, para maximizar o desempenho da iluminação pública e das redes de iluminação industrial.

Uma luminária LED típica inclui vários LEDs em série em uma ou mais cadeias. Cada LED requer uma tensão de acionamento de cerca de 3,5 V. Uma cadeia geralmente contém de 10 a 30 LEDs e opera a partir de uma fonte de 40 a 100 V, extraindo cerca de 0,35 a 1,0 ampere (A) de corrente, dependendo do brilho dos LEDs individuais (Figura 1).

Figura 1: Duas cadeias de 16 LEDs cada uma para uso em luminárias inteligentes. (Fonte da imagem: onsemi)

O brilho das fontes de luz é quantificado em lúmens (lm) que medem o brilho aparente ao olho humano e são responsáveis pela sensibilidade do olho a vários comprimentos de onda de luz visível. A eficiência com que uma fonte de luz produz lúmens é chamada de eficácia e é medida em lúmens por watt (lm/W). Os LEDs têm maior eficácia do que outras tecnologias comuns de iluminação. No entanto, nem todos os LEDs são igualmente eficientes, e alguns têm uma eficácia significativamente maior do que outros. Além disso, um determinado LED pode produzir mais luz, se acionado com mais corrente.

Os LEDs são mais confiáveis do que outras tecnologias de iluminação, mas não são perfeitos. Os LEDs podem falhar, especialmente se forem acionados com intensidade em uma luminária de alto desempenho como as utilizadas em iluminação pública e iluminação industrial. A falha de LED pode ser um curto-circuito ou um circuito aberto. Se um LED falhar em uma cadeia numa condição de curto-circuito, ele escurece, mas os LEDs restantes na cadeia continuam a funcionar. A corrente continua fluindo através do LED em curto, aquecendo-o ao ponto de se tornar um circuito aberto, fazendo com que toda a cadeia fique escura.

LEDs em derivações

Os projetistas de luminárias LED são desafiados a fornecer mais lúmens em luminárias menores. Isso muitas vezes exige que os LEDs operem a temperaturas mais altas por períodos prolongados e pode resultar em falhas de LEDs. As luminárias de iluminação pública, em particular, devem ter uma vida útil de até 15 anos. Os shunts de desvio podem ajudar a conciliar as exigências conflitantes de temperaturas de operação mais altas e vida útil prolongada. Quando um LED falha no estado aberto, ao invés da cadeia escurecer, o shunt contorna o LED e mantém a cadeia operando normalmente, escurecendo apenas o LED que falhou (Figura 2).

Figura 2: Sem shunts de desvio, uma única falha de LED resulta na perda da cadeia inteira (esquerda). Com shunts de desvio, apenas o LED falhado escurece, e os LEDs restantes na cadeia continuam a funcionar (à direita). (Fonte da imagem: onsemi)

Estão disponíveis shunts que podem ser usados para contornar um ou dois LEDs, dependendo das necessidades do projeto da luminária (Figura 3). Contornar cada LED dá suporte a uma queda mínima no brilho se um LED falhar, enquanto contornar dois LEDs reduz a quantidade de shunts pela metade para soluções mais sensíveis ao custo. Por exemplo, o NUD4700SNT1G da onsemi pode ser usado para contornar LEDs individuais em uma cadeia, e é automaticamente reiniciado se o LED retomar a operação ou for substituído. O LBP01-0810B da STMicroelectronics pode contornar 1 ou 2 LEDs, aumentando a flexibilidade do projeto e reduzindo o número de peças. O LBP01-0810B também fornece proteção de sobretensão contra surtos definidos na IEC 61000-4-2 e IEC 61000-4-5.

Figura 3: Estão disponíveis shunts de LEDs (dentro das seleções pontilhadas) que podem contornar 1 LED (esquerda) ou 2 LEDs (direita). (Fonte da imagem: onsemi)

Iluminação pública inteligente

Os projetistas de sistemas de iluminação pública inteligentes podem recorrer à placa STEVAL-LLL006V1 da STMicroelectronics para avaliar opções de iluminação LED de alta potência (Figura 4). O controlador de iluminação LED HVLED001A integrado inclui vários modos operacionais, mecanismos de detecção e proteção e produz um conversor de energia inteligente e eficiente usando MOSFETs STP21N90K5. Esta placa do excitador de LED usa o CI conversor de alta tensão off-line VIPER012LSTR para fornecer uma saída de 60 a 110 V de corrente contínua (cc) com uma corrente constante de 0,7 A. Para atender às necessidades das aplicações de iluminação pública inteligente, o excitador tem uma faixa de entrada de 90 a 300 V_CA, um PF acima de 0,97, e THD abaixo de 15%. O módulo transceptor integrado SPSGRFC abaixo de 1 GigaHertz (GHz) pode ser usado para receber comandos de ligar, desligar e de atenuação e enviá-los para o microcontrolador integrado STM32L071KZ. Ele suporta cinco níveis de atenuação analógica.

Figura 4: A placa de des. de iluminação LED STEVAL-LLL006V1 é parte de uma plataforma que inclui gerenciamento de energia e conectividade sem fio. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

Ferramentas de desenvolvimento

Para agilizar o processo de desenvolvimento e destacar a funcionalidade da placa de avaliação STEVAL-LLL006V1, estão disponíveis uma unidade concentradora de dados (DCU) e um aplicativo móvel Android. O DCU é um ambiente integrado de avaliação construído sobre a plataforma NUCLEO-F401RE. Inclui uma placa X-NUCLEO-IDS01A4 para comunicação abaixo de 1 GHz com o STEVAL-LLLL006V1 e uma placa X-NUCLEO-IDB05A2 para comunicação Bluetooth com um dispositivo móvel. A STMicroelectronics também oferece sua aplicação móvel 6LoWPAN Smart Streetlight que pode ser usada para formar uma malha de controladores de iluminação pública inteligente e avaliar a funcionalidade da rede.

Iluminação LED industrial

Soluções conectadas de iluminação LED industrial podem ser prototipadas usando a plataforma conectada de iluminação LIGHTING-1-GEVK da onsemi. Esta plataforma de desenvolvimento apresenta controle sem fio, a opção de usar uma fonte de alimentação ca/cc off-line ou uma fonte de alimentação PoE (Alimentação via Ethernet) opcional, um módulo LED e um módulo excitador de LED, mais um módulo de conectividade BLE para completar tudo. As opções de controle disponíveis incluem o uso do aplicativo móvel RSL10 Sense and Control da onsemi ou um cliente web. Esta plataforma de desenvolvimento inclui Free RTOS, um CMSIS-Pack com firmware personalizável e vários casos de uso para começar a explorar o uso de soluções conectadas de iluminação LED industrial.

O kit básico LIGHTING-1-GEVK inclui um excitador de LED duplo, placa LED com duas cadeias de LED, uma fonte de alimentação ca/cc e um módulo de comunicação BLE (Figura 5). Um módulo de energia PoE está disponível separadamente e pode fornecer até 90 W. Algumas especificações importantes das várias placas do kit incluem:

• Excitador de LED duplo: inclui dois excitador de LED FL7760 que fornecem até 25 W cada um com até 96% de eficiência, 4.000 intervalos de atenuação de até 0,6%, dados de telemetria incluindo medições de corrente e tensão para cada excitador de LED, e uma barra de pinos para o módulo MCU plugável para suportar a conectividade sem fio.
• Placa LED: dois canais independentes com 16 LEDs em cada canal. Um canal tem LEDs dimensionados para 121 lm, e o outro canal tem LEDs dimensionados para 95 lm, para um brilho total disponível de 7.000 lm.
• Fonte de alimentação CA/CC: inclui dois controladores flyback de regulagem no lado primário FL7740 com PFC, opera em uma faixa de entrada de 90 a 270 V_CA, produz uma saída de 70 W a 55 V para alimentar a placa de excitador de LED, com um PF superior a 0,99 e eficiência superior a 91%.
• Módulo BLE: A plataforma conectada de iluminação usa três serviços BLE; serviço de controle de iluminação usado por dispositivos conectados para ler e alterar remotamente o estado dos LEDs, serviço de telemetria usado por dispositivos conectados para monitorar a tensão e corrente nos excitadores de LED, e o serviço de fornecimento de energia PoE proporcionado informações sobre os limites de energia PoE impostos ao dispositivo pelo injetor de energia PoE.

Figura 5: O kit básico de des. inclui um excitador de LED duplo, cadeia de LED dupla, fonte de alimentação ca/cc e um módulo de conectividade BLE. (Fonte da imagem: onsemi)

Placas de expansão

Duas placas de expansão estão disponíveis para o kit LIGHTING-1-GEVK, o comutador BLE BLE-SWITCH001-GEVB de coleta de energia e a placa multi-sensor MULTI-SENSE-GEVB (Figura 6). O brilho dos LEDs pode ser controlado com o comutador BLE. O brilho aumenta quando o comutador for pressionado e segurado. A intensidade luminosa permanece constante quando o comutador for liberado ou quando o brilho máximo for atingido. O brilho é diminuído pressionando o comutador uma segunda vez. A placa multi-sensor suporta a prototipagem de sistemas que incluem um sensor de luz ambiente, sensores ambientais, e/ou um sensor de movimento inercial.

Figura 6: Duas placas de expansão estão disponíveis para o kit LIGHTING-1-GEVK, um comutador BLE, e uma placa multi-sensor (caixa verde superior). (Fonte da imagem: onsemi)

Opções de projeto e implantação

Luminárias LED de uso público e industrial trazem novas oportunidades para repensar o projeto e a implantação de redes de iluminação. Ao contrário das tecnologias que normalmente substituem, os LEDs são reguláveis, o que cria oportunidades para projetar cidades inteligentes e instalações inteligentes da indústria 4.0 que integram vários fatores tais como padrões de tráfego/utilização, horário do dia e até mesmo um conjunto de sensores para otimizar os níveis de iluminação conforme necessário.

Em uma cidade inteligente, as malhas de rede sem fio são uma escolha natural, mas nas instalações da indústria 4.0, o controle pode ser implementado com conectividade sem fio ou Ethernet. A Ethernet tem o benefício de fornecer energia, bem como comunicações. Em ambos os casos, os sensores de temperatura, umidade e até mesmo de câmera podem ser integrados às luminárias, aumentando sua funcionalidade. Além disso, as condições operacionais das próprias luminárias, tais como temperaturas internas, LEDs em curto ou abertos, e outros fatores, podem ser monitorados para ajudar a programar a manutenção preventiva e reduzir os custos operacionais.

Resumo

Como mostrado, o projeto de um sistema conectado de iluminação LED confiável e eficiente começa com o projeto das luminárias. Os LEDs precisam ser selecionados para fornecer o nível ideal de lúmens, e o uso de shunts pode melhorar significativamente a confiabilidade e o desempenho da luminária. O uso de iluminação LED conectada, com ou sem fio, em cidades inteligentes e instalações da indústria 4.0 pode reduzir os custos operacionais e de manutenção contínua, além de reduzir o consumo de energia. Plataformas abrangentes de desenvolvimento estão disponíveis para ajudar a agilizar o projeto e a implementação de soluções inteligentes de iluminação LED conectada.