วิธีการปรับใช้การควบคุมไฟ LED แบบไร้สายในเมืองอัจฉริยะและอาคารอุตสาหกรรม

การใช้ระบบไฟ LED ที่มีการควบคุมแบบไร้สายในเมืองอัจฉริยะและใน Industry 4.0 กำลังเติบโตขึ้น เนื่องจากมีประโยชน์หลายประการ รวมถึงต้นทุนด้านพลังงานที่ลดลง (รวมถึงการลดการปล่อยคาร์บอน) ระดับแสงที่ควบคุมได้ และค่าบำรุงรักษาที่ลดลงจากความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานยิ่งขึ้นของหลอดไฟ LED เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด ระบบไฟ LED เหล่านี้จำเป็นต้องมีตัวควบคุมแสงที่มีโหมดการทำงานที่หลากหลาย การตรวจจับและการป้องกัน รวมถึงมีประสิทธิภาพสูงและช่วงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่กว้างตั้งแต่ 90 ถึง 300 โวลต์กระแสสลับ (V_AC ) พร้อมด้วยตัวประกอบกำลังสูง (PF) และการผิดเพี้ยนฮาร์มอนิกโดยรวมต่ำ (THD) นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องมีไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ตัวรวมช่องสัญญาณข้อมูล และเครื่องรับส่งสัญญาณไร้สายเพื่อทำให้ระบบสมบูรณ์ การออกแบบระบบควบคุมไฟ LED แบบไร้สายตั้งแต่เริ่มต้นเป็นงานที่ต้องใช้ความเชี่ยวชาญหลากหลายด้าน ซึ่งมีความเสี่ยงสูงและอาจชะลอเวลาออกสู่ตลาดได้

นักออกแบบสามารถใช้แพลตฟอร์มการพัฒนาการควบคุมไฟ LED ที่มีการเชื่อมต่อและออกแบบไว้ล่วงหน้าแทนได้ แพลตฟอร์มเหล่านี้ประหยัดพลังงาน มี PF สูง และมีการควบคุมแบบไร้สายที่ครอบคลุม (เปิด/ปิด การหรี่แสง และโหมดอื่น ๆ) และช่อง LED ที่ควบคุมโดยอิสระหลายช่องที่ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบสูงสุด ซึ่งประกอบด้วยโมดูลการสื่อสารไร้สายที่รองรับโปรโตคอล เช่น Bluetooth low energy (BLE), Zigbee และ 6LoWPAN นอกจากนี้ยังมีการสนับสนุนจากสภาพแวดล้อมการพัฒนาซึ่งรวมถึงเฟิร์มแวร์ที่ปรับแต่งได้, Free RTOS และการใช้งานแบบต่าง ๆ

บทความนี้เริ่มต้นด้วยเรื่องพื้นฐานการใช้งาน LED และการสร้างโคมไฟพร้อมเมตริกสำหรับการประเมินประสิทธิภาพของ LED และโคมไฟ กล่าวถึงเกี่ยวกับการใช้ชันท์ เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของโคมไฟในเมืองอัจฉริยะและ Industry 4.0 จากนั้นจะนำเสนอตัวขับไฟ LED ที่เชื่อมต่อและออกแบบไว้ล่วงหน้าและควบคุมแพลตฟอร์มการพัฒนาและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องจาก STMicroelectronics และ onsemi ควบคู่ไปกับการพิจารณาถึงการออกแบบและการปรับใช้

การควบคุมไฟ LED อัจฉริยะเริ่มต้นด้วยการควบคุมการทำงานร่วมกันระหว่าง LED ในแต่ละสายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโคมไฟ นอกจากนี้ยังรวมถึงการแปลงพลังงานอัจฉริยะไปสู่การควบคุมโคมไฟหลายดวงแบบไร้สาย ซึ่งรวมทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดของเครือข่ายไฟถนนและเครือข่ายแสงสว่างสำหรับอุตสาหกรรม

โคมไฟ LED ทั่วไปประกอบด้วย LED หลายดวงต่อแบบอนุกรมในหนึ่งแถบขึ้นไป LED แต่ละตัวต้องการแรงดันไฟฟ้าจากตัวขับประมาณ 3.5 V โดยปกติแล้วแถบหนึ่งจะมี LED 10 ถึง 30 ดวงและทำงานโดยใช้แหล่งจ่าย 40 ถึง 100 V ที่มีกระแสไฟตั้งแต่ 0.35 ถึง 1.0 แอมแปร์ (A) ขึ้นอยู่กับความสว่างของ LED แต่ละดวง (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ไฟ LED 16 ดวงสองแถบสำหรับใช้ในหลอดไฟอัจฉริยะ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

ความสว่างของแหล่งกำเนิดแสงจะวัดเป็นลูเมน (lm) โดยวัดจากความสว่างที่มองเห็นได้ต่อสายตามนุษย์และพิจารณาความไวของดวงตาต่อความยาวคลื่นต่าง ๆ ของแสงที่มองเห็นได้ ประสิทธิภาพที่แหล่งกำเนิดแสงสร้างลูเมนเรียกว่าประสิทธิผล และวัดค่าเป็นลูเมนต่อวัตต์ (lm/W) LED มีประสิทธิผลที่สูงกว่าเทคโนโลยีแสงสว่างทั่วไปอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่า LED ทั้งหมดจะมีประสิทธิภาพเท่ากัน และบางดวงก็มีประสิทธิผลที่สูงกว่าแบบอื่น ๆ อย่างเห็นได้ชัด นอกจากนี้ LED ที่ให้มาสามารถให้แสงได้มากขึ้นหากใช้กระแสไฟที่มีค่าสูงกว่า

LED มีความน่าเชื่อถือมากกว่าเทคโนโลยีการให้แสงสว่างอื่น ๆ แต่ก็ไม่ได้สมบูรณ์แบบ โดยไฟ LED สามารถทำงานผิดพลาดได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโคมไฟประสิทธิภาพสูง เช่น ไฟถนนและไฟอุตสาหกรรม การทำงานผิดพลาดของ LED อาจจะมาจากไฟฟ้าลัดวงจรหรือวงจรเปิด หากไฟ LED ในแถบทำงานผิดพลาดจากการลัดวงจร ไฟดวงนั้นจะดับ แต่ไฟ LED ที่เหลืออยู่ในแถบจะยังคงทำงานต่อไป โดยกระแสไฟยังคงไหลผ่าน LED ที่ลัดวงจร ซึ่งทำให้ความร้อนจนถึงจุดที่สามารถกลายเป็นวงจรเปิดได้ ทำให้ทั้งสายดับลง

การชันท์ LED

มีการท้าทายนักออกแบบโคมไฟ LED ในการออกแบบให้แสงสว่างมากขึ้นในโคมไฟขนาดเล็ก ซึ่งมักจะต้องการให้ LED ทำงานที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นเป็นระยะเวลานานและอาจส่งผลทำให้ LED เสียหายได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโคมไฟถนน คาดว่าจะมีอายุการใช้งานนานถึง 15 ปี การชันท์บายพาสสามารถช่วยปรับความต้องการที่ขัดแย้งกันสำหรับอุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น เมื่อ LED เสียในขณะที่เปิดอยู่ การชันท์จะบายพาส LED และทำให้แถบไฟทำงานตามปกติโดยมีเพียง LED ที่เสียเท่านั้นที่ดับ แทนที่จะเป็นแถบไฟจะดับทั้งหมด (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: หากไม่มีการชันท์บายพาส LED เสียดวงเดียวเดียวส่งผลให้แถบไฟทั้งหมดดับลง (ซ้าย) ด้วยการชันท์บายพาส มีเพียง LED ที่เสียเท่านั้นที่จะดับ และไฟ LED ที่เหลืออยู่ในแถบจะยังทำงานต่อไป (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

มีการชันท์ที่สามารถใช้เพื่อบายพาสผ่าน LED หนึ่งหรือสองดวง ขึ้นอยู่กับความต้องการของการออกแบบโคมไฟ (รูปที่ 3) การบายพาส LED แต่ละดวงจะทำให้ความสว่างลดลงน้อยที่สุดหาก LED เสีย ในขณะที่การบายพาส LED สองดวงจะลดจำนวนการชันท์ลงครึ่งหนึ่งสำหรับโซลูชันมีต้นทุนสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น NUD4700SNT1G จาก onsemi สามารถใช้เพื่อบายพาส LED แต่ละดวงในแถบได้ และจะรีเซ็ตโดยอัตโนมัติหาก LED กลับมาทำงานหรือเปลี่ยนทดแทน LBP01-0810B จาก STMicroelectronics สามารถบายพาส LED 1 หรือ 2 ดวง เพิ่มความยืดหยุ่นในการออกแบบและลดจำนวนชิ้นส่วน LBP01-0810B ยังให้การป้องกันแรงดันไฟเกินจากไฟกระชากที่กำหนดไว้ใน IEC 61000-4-2 และ IEC 61000-4-5

รูปที่ 3: มีชั้น LED (ภายในกล่องประ) ที่สามารถบายพาส LED 1 (ซ้าย) หรือ 2 (ขวา) ได้ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

ไฟถนนอัจฉริยะ

นักออกแบบระบบไฟถนนอัจฉริยะสามารถหันไปใช้บอร์ด STEVAL-LLL006V1 จาก STMicroelectronics เพื่อประเมินตัวเลือกไฟ LED กำลังสูง (รูปที่ 4) ตัวควบคุมไฟ LED ในตัว HVLED001A ประกอบด้วยโหมดการทำงานต่าง ๆ กลไกการตรวจจับและการป้องกัน และสร้างตัวแปลงพลังงานที่ชาญฉลาดและมีประสิทธิภาพโดยใช้มอสเฟต STP21N90K5 บอร์ดไดรเวอร์ LED นี้ใช้ไอซี VIPER012LSTR ตัวแปลงไฟฟ้าแรงสูงแบบออฟไลน์ให้เอาต์พุตกระแสตรง (dc) 60 ถึง 110 V โดยมีกระแสไฟคงที่ 0.7 A เพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานไฟถนนอัจฉริยะ ไดรเวอร์มีช่วงอินพุต 90 ถึง 300 V_AC ที่ PF มากกว่า 0.97 และ THD ต่ำกว่า 15% โมดูลตัวรับส่งสัญญาณ 1 GigaHertz (GHz) SPSGRFC แบบฝังตัว สามารถใช้เพื่อรับคำสั่งเปิด ปิด และหรี่แสง และส่งไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ภายใน STM32L071KZ รองรับการหรี่แสงแบบอะนาล็อกห้าระดับ

รูปที่ 4: บอร์ดพัฒนาระบบไฟ LED STEVAL-LLL006V1 เป็นส่วนหนึ่งของแพลตฟอร์มที่มีการจัดการพลังงานและการเชื่อมต่อไร้สาย (แหล่งที่มาภาพ: STMicroelectronics)

เครื่องมือพัฒนา

เพื่อเพิ่มความเร็วในกระบวนการพัฒนาและเน้นการทำงานของบอร์ดประเมินผล STEVAL-LLL006V1 จึงมีหน่วยตัวรวมสัญญาณข้อมูล (DCU) และแอปพลิเคชันมือถือ Android ให้ใช้งานได้ โดย DCU เป็นสภาพแวดล้อมแบบบูรณาการที่สร้างขึ้นบนแพลตฟอร์ม NUCLEO-F401RE ประกอบด้วยบอร์ด X-NUCLEO-IDS01A4 บอร์ดสำหรับการสื่อสาร sub-1-GHz กับ STEVAL-LLL006V1 และบอร์ด X-NUCLEO-IDB05A2 สำหรับการสื่อสาร Bluetooth กับอุปกรณ์พกพา STMicroelectronics ยังมีแอปพลิเคชันมือถือ 6LoWPAN Smart Streetlight ที่สามารถใช้เพื่อสร้างตาข่ายควบคุมไฟถนนอัจฉริยะและประเมินการทำงานของเครือข่าย

ไฟ LED อุตสาหกรรม

โซลูชันไฟ LED อุตสาหกรรมที่มีการเชื่อมต่อสามารถใช้สร้างต้นแบบได้โดยใช้ แพลตฟอร์มไฟเชื่อมต่อ LIGHTING-1-GEVK จาก onsemi แพลตฟอร์มสำหรับนักพัฒนาซอฟต์แวร์นี้มีการควบคุมแบบไร้สาย ตัวเลือกในการใช้แหล่งจ่ายไฟ AC/DC แบบออฟไลน์หรือแหล่งพลังงานเสริมผ่านอีเทอร์เน็ต (PoE) โมดูล LED และโมดูลไดรเวอร์ LED รวมถึงโมดูลการเชื่อมต่อ BLE เพื่อผูกทุกอย่างด้วยกัน ตัวเลือกการควบคุมที่ใช้ได้นั้นรวมถึงการใช้แอปพลิเคชัน RSL10 Sense and Control ของ onsemi หรือเว็บไคลเอ็นต์ แพลตฟอร์มพัฒนานี้รวมถึง Free RTOS, CMSIS-Pack พร้อมเฟิร์มแวร์ที่ปรับแต่งได้ และกรณีการใช้งานหลากหลายเพื่อเริ่มสำรวจการใช้โซลูชันไฟ LED อุตสาหกรรมที่มีการเชื่อมต่อ

ชุดพื้นฐาน LIGHTING-1-GEVK ประกอบด้วยไดรเวอร์ LED คู่, บอร์ด LED พร้อมแถบ LED สองสาย, แหล่งจ่ายไฟ AC/DC และโมดูลการสื่อสาร BLE (รูปที่ 5) โมดูลพลังงาน PoE มีจำหน่ายแยกต่างหากซึ่งสามารถจ่ายไฟได้สูงถึง 90 วัตต์ ข้อมูลจำเพาะที่สำคัญบางประการของบอร์ดต่าง ๆ ในชุดประกอบด้วย:

• ไดรเวอร์ LED คู่: รวมไดรเวอร์ LED FL7760 สองตัวที่ให้กำลังไฟสูงถึง 25 W แต่ละตัวพร้อมประสิทธิภาพสูงสุดถึง 96%, การหรี่แสงลง 4,000 ขั้นถึง 0.6%, ข้อมูลการวัดทางไกลรวมถึงการวัดกระแสและแรงดันสำหรับไดรเวอร์ LED แต่ละตัว และส่วนหัวสำหรับโมดูล MCU แบบเสียบได้เพื่อรองรับการเชื่อมต่อไร้สาย
• บอร์ด LED: ช่องสัญญาณอิสระคู่พร้อมไฟ LED 16 ดวงในแต่ละช่อง ช่องหนึ่งมีไฟ LED ที่พิกัด 121 ลูเมน และอีกช่องหนึ่งมีไฟ LED ที่พิกัด 95 ลูเมน สำหรับความสว่างที่มีอยู่ทั้งหมด 7,000 ลูเมน
• แหล่งจ่ายไฟ AC/DC: รวมตัวควบคุม flyback FL7740 แบบควบคุมด้านข้างหลักสองตัวพร้อม PFC ทำงานในช่วงอินพุต 90 ถึง 270 V_AC ให้เอาต์พุต 70 W ที่ 55 V เพื่อจ่ายไฟให้กับบอร์ดไดรเวอร์ LED โดยมี PF มากกว่า 0.99 และประสิทธิภาพมากกว่า 91%
• โมดูล BLE: แพลตฟอร์มไฟส่องสว่างที่เชื่อมต่อใช้สาม BLE สามรายการ บริการควบคุมแสงสว่างที่ใช้โดยอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อเพื่ออ่านและเปลี่ยนสถานะของ LED จากระยะไกล บริการ Telemetry ที่ใช้โดยอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อเพื่อตรวจสอบแรงดันและกระแสในไดรเวอร์ LED และบริการส่งพลังงาน PoE ที่ให้ข้อมูลเกี่ยวกับขีดจำกัดพลังงาน PoE ที่กำหนดบน อุปกรณ์โดยตัวจ่ายพลังงาน PoE

รูปที่ 5: ชุดพัฒนาพื้นฐานประกอบด้วยไดรเวอร์ LED คู่, แถบไฟ LED คู่, แหล่งจ่ายไฟ ac/dc และโมดูลการเชื่อมต่อ BLE (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

บอร์ดเสริม

บอร์ดเสริมสองชุดสำหรับชุด LIGHTING-1-GEVK คือ สวิตช์ BLE เก็บเกี่ยวพลังงาน BLE-SWITCH001-GEVB และแผงเซ็นเซอร์หลายตัว MULTI-SENSE-GEVB (รูปที่ 6) ความสว่าง LED สามารถควบคุมได้ด้วยสวิตช์ BLE ความสว่างจะเพิ่มขึ้นเมื่อกดสวิตช์ค้างไว้ ความเข้มของแสงจะคงที่เมื่อปล่อยสวิตช์หรือเมื่อถึงความสว่างสูงสุด ความสว่างจะลดลงโดยการกดสวิตช์ครั้งที่สอง แผงเซ็นเซอร์หลายตัวรองรับการสร้างต้นแบบของระบบซึ่งรวมถึงเซ็นเซอร์วัดแสงรอบข้าง เซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อม และ/หรือเซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวต่ำ

รูปที่ 6: มีบอร์ดขยายสองชุดสำหรับชุด LIGHTING-1-GEVK, สวิตช์ BLE และแผงเซ็นเซอร์หลายตัว (กล่องสีเขียวด้านบน) (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

ตัวเลือกการออกแบบและการใช้งาน

ไฟถนน LED และโคมไฟอุตสาหกรรมทำให้เกิดโอกาสใหม่ในการพิจารณาการออกแบบและใช้งานเครือข่ายแสงสว่าง โดย LED หรี่แสงได้ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีที่มักจะเปลี่ยนและสร้างโอกาสในการออกแบบเมืองอัจฉริยะและสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับ Industry 4.0 ที่รวมปัจจัยต่าง ๆ เช่น รูปแบบการจราจร/การใช้งาน ช่วงเวลาของวัน และแม้แต่ชุดเซ็นเซอร์เพื่อปรับระดับแสงให้เหมาะสมตามต้องการ

ในเมืองอัจฉริยะ เครือข่ายตาข่ายไร้สายเป็นตัวเลือกทั่วไป แต่ในโรงงาน Industry 4.0 การควบคุมสามารถทำได้ด้วยการเชื่อมต่อแบบไร้สายหรืออีเทอร์เน็ต ซึ่งอีเธอร์เน็ตมีประโยชน์ในการส่งพลังงานและการสื่อสาร สามารถรวมเซ็นเซอร์อุณหภูมิ ความชื้น และแม้แต่เซ็นเซอร์กล้องก็เข้ากับโคมไฟได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มฟังก์ชันการทำงาน นอกจากนี้ สามารถตรวจสอบสภาพการทำงานของโคมไฟได้ เช่น อุณหภูมิภายใน การลัดวงจรหรือวงจรเปิด และปัจจัยอื่น ๆ เพื่อช่วยกำหนดเวลาการบำรุงรักษาเชิงป้องกันและลดต้นทุนการดำเนินงาน

สรุป

ดังที่แสดงไว้ข้างต้นการออกแบบระบบไฟ LED ที่มีการเชื่อมต่อ เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพนั้นเริ่มต้นด้วยการออกแบบโคมไฟ โดยจำเป็นต้องเลือก LED เพื่อให้มีระดับลูเมนที่เหมาะสมที่สุด และการใช้ตัวแบ่งส่วนจะช่วยปรับปรุงความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพของโคมไฟได้อย่างมาก การใช้ไฟ LED แบบมีสายหรือแบบไร้สายที่เชื่อมต่อในเมืองอัจฉริยะ และสิ่งอำนวยความสะดวกในอุตสาหกรรม 4.0 สามารถลดต้นทุนการบำรุงรักษาและการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากการลดการใช้พลังงาน และยังมีแพลตฟอร์มการพัฒนาที่ครอบคลุมเพื่อช่วยเร่งการออกแบบและปรับใช้โซลูชันไฟ LED ที่มีการเชื่อมต่ออัจฉริยะ