Déployer des contrôles d'éclairage LED sans fil dans les villes intelligentes et les bâtiments industriels

L'utilisation de systèmes d'éclairage LED avec des contrôles sans fil dans les villes intelligentes et l'Industrie 4.0 est en plein essor, car elle présente de multiples avantages, notamment 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 la fiabilité accrue et à la durée de fonctionnement plus étendue des luminaires LED. Pour être efficaces, ces systèmes d'éclairage LED ont besoin d'un contrôleur d'éclairage dotés de divers modes de fonctionnement, de fonctions de détection et de protection, d'un rendement élevé, d'une vaste plage de tensions de fonctionnement de 90 à 300 volts CA (V_CA), d'un facteur de puissance (PF) élevé et d'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.

Alternativement, les concepteurs peuvent utiliser des plateformes de développement de contrôle d'éclairage LED connectées et pré-conçues. Ces plateformes sont très écoénergétiques, avec un facteur de puissance élevé, et elles sont dotées de contrôles sans fil complets (marche/arrêt, gradation et autres modes) et de multiples canaux LED contrôlés de manière indépendante qui offrent une flexibilité de conception maximum. Elles incluent des modules de communication sans fil prenant en charge des protocoles tels que Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee et 6LoWPAN. De plus, elles sont soutenues par des environnements de développement qui incluent des micrologiciels personnalisables, Free RTOS et divers cas d'utilisation.

Cet article passe en revue le fonctionnement de base des LED et la construction des luminaires, ainsi que les paramètres permettant de mesurer le rendement des LED et des luminaires. Il traite de l'utilisation des shunts pour maximiser la fiabilité et les performances des luminaires dans les applications de villes intelligentes et Industrie 4.0. Il présente ensuite des plateformes de développement de contrôle et de commande d'éclairage LED connectées pré-conçues, ainsi que les composants associés de STMicroelectronics et d'onsemi, avec des considérations relatives à la conception et au déploiement.

Le contrôle d'éclairage LED intelligent commence par le contrôle de l'interaction entre les LED de chaque chaîne pour optimiser les performances du luminaire. Il inclut également la conversion de puissance intelligente et s'étend au contrôle sans fil de plusieurs luminaires, y compris matériel et logiciel, afin de maximiser les performances des réseaux d'éclairage public et d'éclairage industriel.

Un luminaire 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 à partir d'une alimentation de 40 V à 100 V, en consommant un courant d'environ 0,35 ampère (A) à 1,0 A, 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 pour l'œil humain et tiennent compte de la sensibilité de l'œil aux différentes longueurs d'onde de la lumière visible. Le rendement avec lequel une source lumineuse produit des lumens est appelé efficacité et se mesure en lumens par watt (lm/W). Les LED ont une efficacité supérieure à celle des autres technologies d'éclairage courantes. Cependant, toutes les LED n'ont pas la même efficacité, et certaines ont une efficacité nettement supérieure à d'autres. En outre, une LED donnée peut produire plus de lumière si elle est commandée par un courant plus important.

Les LED sont plus fiables que les autres technologies d'éclairage, mais elles ne sont pas parfaites. Les LED peuvent présenter des défaillances, surtout si elles sont exposées à un usage intensif dans des luminaires hautes performances, tels que ceux utilisés dans l'éclairage public et l'éclairage industriel. Une défaillance de LED peut être due à un court-circuit ou à un circuit ouvert. Si une LED d'une chaîne est défaillante en cas de court-circuit, elle s'éteint, mais les autres LED de la chaîne continuent de fonctionner. Le courant continue de circuler dans la LED court-circuitée, la chauffant au point qu'elle peut devenir un circuit ouvert, entraînant l'extinction de toute la chaîne.

Shunt de LED

Les concepteurs de luminaires LED sont mis au défi de fournir plus de lumens dans des luminaires plus petits. Pour cela, les LED doivent souvent fonctionner à des températures plus élevées pendant de longues périodes, ce qui peut entraîner des défaillances des LED. Pour les luminaires urbains, en particulier, une durée de vie de fonctionnement jusqu'à 15 ans est attendue. Les shunts de dérivation peuvent aider à concilier les exigences contradictoires de températures de fonctionnement plus élevées et de durées de vie plus longues. Lorsqu'une LED est défaillante à l'état ouvert, au lieu que la chaîne ne s'éteigne, le shunt contourne la LED et permet à la chaîne de fonctionner normalement, seule la LED défaillante s'éteignant (Figure 2).

Figure 2 : Sans shunts de dérivation, la défaillance d'une seule LED entraîne la perte de toute la chaîne (à gauche). Avec les shunts de dérivation, seule la LED défaillante s'éteint, 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 contourner une ou deux LED, selon les besoins de conception du luminaire (Figure 3). La dérivation de chaque LED prend en charge une baisse minimale de la luminosité en cas de défaillance d'une LED, tandis que la dérivation de deux LED réduit de moitié le nombre de shunts pour des solutions plus sensibles aux coûts. Par exemple, le NUD4700SNT1G d'onsemi peut être utilisé pour contourner des LED individuelles dans une chaîne, et il se réinitialise automatiquement si la LED reprend son fonctionnement ou est remplacée. Le LBP01-0810B de STMicroelectronics peut contourner 1 ou 2 LED, ce qui améliore la flexibilité de conception et réduit le nombre de composants. Le LBP01-0810B offre également une protection contre les surtensions définies dans les normes CEI 61000-4-2 et CEI 61000-4-5.

Figure 3 : Il existe des shunts LED (dans les zones en pointillés) qui peuvent contourner 1 (à gauche) ou 2 (à droite) LED. (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 contrôleur d'éclairage LED HVLED001A intégré inclut divers modes de fonctionnement, des mécanismes de détection et de protection, et produit un convertisseur de puissance intelligent et efficace utilisant des MOSFET STP21N90K5. Cette carte de circuit d'attaque LED utilise le circuit intégré de convertisseur haute tension autonome VIPER012LSTR pour fournir une sortie de 60 à 110 VCC avec un courant constant de 0,7 A. Pour répondre aux besoins des applications d'éclairage public intelligent, le circuit d'attaque a une plage d'entrée de 90 à 300 V_CA, un facteur de puissance supérieur à 0,97 et une valeur THD inférieure à 15 %. Le module émetteur-récepteur sub-1 GigaHertz (GHz) SPSGRFC embarqué peut être utilisé pour recevoir des commandes de marche, d'arrêt et de gradation et les envoyer au microcontrôleur STM32L071KZ intégré. Il prend en charge cinq niveaux de gradation analogique.

Figure 4 : La carte de développement d'éclairage LED STEVAL-LLL006V1 fait partie d'une plateforme 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 montrer les fonctionnalités de la carte d'évaluation STEVAL-LLL006V1, une unité de concentrateur de données (DCU) et une application mobile Android sont disponibles. L'unité DCU est un environnement d'évaluation intégré architecturé sur la plateforme NUCLEO-F401RE. Elle inclut une carte X-NUCLEO-IDS01A4 pour la communication sub-1 GHz avec le STEVAL-LLL006V1 et une carte X-NUCLEO-IDB05A2 pour la communication Bluetooth avec un dispositif mobile. STMicroelectronics propose également l'application mobile 6LoWPAN Smart Streetlight qui peut être utilisée pour former un maillage de contrôleurs d'éclairage public intelligents et évaluer les fonctionnalités du réseau.

Éclairage LED industriel

Les solutions d'éclairage LED industriel connectées peuvent être prototypées à l'aide de la plateforme d'éclairage connectée LIGHTING-1-GEVK d'onsemi. Cette plateforme de développement offre des fonctionnalités de contrôle sans fil, la possibilité d'utiliser une alimentation CA/CC autonome ou une source d'alimentation Power over Ethernet (PoE) en option, un module LED et un module de circuit d'attaque LED, ainsi qu'un module de connectivité BLE pour tout relier ensemble. Les options de contrôle disponibles comprennent l'utilisation de l'application mobile RSL10 Sense and Control d'onsemi ou d'un client Web. Cette plateforme de développement inclut Free RTOS, un CMSIS-Pack avec micrologiciel personnalisable, et plusieurs cas d'utilisation pour commencer à explorer l'utilisation de solutions d'éclairage LED industriel connectées.

Le kit de base LIGHTING-1-GEVK inclut un circuit d'attaque LED double, une carte LED avec deux chaînes de LED, une alimentation CA/CC et un module de communication BLE (Figure 5). Un module d'alimentation PoE est disponible séparément et peut fournir jusqu'à 90 W. Les spécifications clés des différentes cartes du kit incluent :

• Circuit d'attaque LED double : comprend deux circuits d'attaque LED FL7760 qui délivrent jusqu'à 25 W chacun avec un rendement atteignant 96 %, 4000 niveaux de gradation jusqu'à 0,6 %, des données télémétriques incluant des mesures de courant et de tension pour chaque circuit d'attaque LED, et une embase pour le module de microcontrôleur enfichable afin de prendre en charge la connectivité sans fil.
• Carte LED : deux canaux indépendants avec 16 LED dans chaque canal. Un canal est équipé de LED répertoriées pour 121 lm, et l'autre canal de LED répertoriées pour 95 lm, soit une luminosité totale disponible de 7000 lm.
• Alimentation CA/CC : inclut deux contrôleurs indirects de régulation côté primaire FL7740 avec PFC, fonctionne sur une plage d'entrée de 90 à 270 V_CA, produit une sortie de 70 W à 55 V pour alimenter le circuit d'attaque LED, avec un facteur de puissance supérieur à 0,99 et un rendement supérieur à 91 %.
• Module BLE : la plateforme d'éclairage connectée utilise trois services BLE : le service de contrôle de l'éclairage utilisé par les dispositifs connectés pour lire et modifier à distance l'état des LED, le service de télémétrie utilisé par les dispositifs connectés pour surveiller la tension et le courant dans les circuits d'attaque LED, et le service de distribution d'alimentation PoE fournissant des informations sur les limites de puissance PoE imposées au dispositif par l'injecteur de puissance PoE.

Figure 5 : Le kit de développement de base comprend un circuit d'attaque 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 BLE de récupération d'énergie BLE-SWITCH001-GEVB et la carte multi-capteurs MULTI-SENSE-GEVB (Figure 6). La luminosité des LED peut être contrôlée à l'aide du commutateur BLE. La luminosité augmente lorsque le commutateur est maintenu enfoncé. L'intensité lumineuse reste constante lorsque le commutateur est relâché ou lorsque la luminosité maximale est atteinte. La luminosité est diminuée en appuyant une seconde fois sur le commutateur. La carte multi-capteurs permet le prototypage de systèmes comprenant un capteur de lumière ambiante, des capteurs environnementaux et/ou un détecteur 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 (zone verte supérieure). (Source de l'image : onsemi)

Options de conception et de déploiement

Les lampadaires urbains et les luminaires industriels LED offrent de nouvelles possibilités de repenser la conception et le déploiement des réseaux d'éclairage. Contrairement aux technologies qu'elles remplacent habituellement, les LED sont à gradation, ce qui permet de concevoir des villes intelligentes et des installations Industrie 4.0 intelligentes qui intègrent divers facteurs tels que les schémas de circulation/utilisation, l'heure de la journée et même une série de capteurs pour optimiser les niveaux d'éclairage selon les besoins.

Dans une ville intelligente, les réseaux maillés sans fil constituent un choix naturel, mais dans les installations 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 alimentation et communications. Dans les deux cas, des capteurs de température et d'humidité et même des caméras peuvent être intégrés aux luminaires, ce qui accroît leurs fonctionnalités. En outre, les conditions de fonctionnement des luminaires eux-mêmes, telles que la température interne, les LED ouvertes ou court-circuitées, et plus, peuvent être surveillées pour aider à programmer la maintenance préventive et réduire les coûts de fonctionnement.

Résumé

Comme illustré, la conception d'un système d'éclairage LED connecté fiable et efficace commence par la conception des luminaires. Les LED doivent être sélectionnées afin de fournir le niveau optimal de lumens, et l'utilisation de shunts peut considérablement améliorer la fiabilité et les performances des luminaires. L'utilisation d'un éclairage LED connecté câblé ou sans fil dans les villes intelligentes et les installations Industrie 4.0 peut réduire les coûts de maintenance et d'exploitation en plus de réduire la consommation d'énergie. Des plateformes de développement complètes sont disponibles pour accélérer la conception et le déploiement de solutions d'éclairage LED intelligentes et connectées.