스마트 시티 및 산업용 건물에서 무선 LED 조명 제어를 배포하는 방법

무선 제어 기능이 탑재된 LED 조명 시스템은 LED 조명의 높은 가용성과 긴 수명으로 인해 에너지 비용 절감, 탄소 배출량 감소, 제어 가능한 조명 수준, 유지보수 비용 절감 등 다양한 이점을 제공하므로 스마트 시티 및 인더스트리 4.0 환경에서 사용이 증가하고 있습니다. 효율 극대화를 위해 이러한 LED 조명 시스템은 다양한 작동 모드, 감지 및 보호 기능, 높은 효율, 폭넓은 작동 전압 범위(90VAC ~ 300VAC), 높은 역률(PF) 및 낮은 총 고조파 왜곡(THD)을 지원하는 조명 컨트롤러가 필요합니다. 또한 시스템을 완성하려면 마이크로 컨트롤러(MCU), 데이터 집선기 및 무선 트랜시버가 필요합니다. 무선 LED 조명 제어 시스템을 처음부터 설계하는 것은 높은 수준의 위험을 수반하는 종합적인 작업으로 출시 지연의 원인이 될 수 있습니다.

대신 설계자는 사전 설계된 커넥티드 LED 조명 제어 개발 플랫폼을 사용할 수 있습니다. 이러한 플랫폼은 높은 PF로 에너지 효율이 우수하며, 포괄적인 무선 제어(켜기/끄기, 조광, 기타 모드)와 다양한 독립 제어 LED 채널을 탑재하여 최대 설계 유연성을 제공합니다. 여기에는 Bluetooth 저에너지(BLE), Zigbee, 6LoWPAN과 같은 프로토콜을 지원하는 무선 통신 모듈이 포함됩니다. 이러한 플랫폼은 맞춤형 펌웨어, 무료 RTOS 및 다양한 사용 사례를 포함하는 개발 환경에서도 지원됩니다.

이 기사에서는 기본 LED 작동과 조명 기구의 구조를 검토하고 LED와 조명 기구의 효율성을 측정하는 지표에 대해 살펴본 후, 스마트 시티와 인더스트리 4.0 응용 분야에서 션트를 사용하여 조명 기구의 신뢰성과 성능을 최대화하는 방법을 설명합니다. 그런 다음 STMicroelectronics 및 onsemi에서 제공하는 사전 설계된 커넥티드 LED 조명 구동 및 제어 개발 플랫폼과 관련 부품에 대해 알아보고 설계 및 배포 고려 사항을 살펴봅니다.

스마트 LED 조명 제어는 조명 기구 성능 최적화를 위한 각 LED 간 상호 작용 제어에서 시작됩니다. 또한 스마트 전력 변환이 포함되고, 가로등과 산업 조명 네트워크의 성능을 최적화하기 위한 다양한 조명 기구의 무선 제어(하드웨어 및 소프트웨어 포함)로 확장됩니다.

일반적인 LED 조명 기구에는 여러 LED가 1열 이상 직렬로 연결되어 있습니다. 각 LED는 약 3.5V의 구동 전압이 필요합니다. 개별 LED의 밝기에 따라 10개 ~ 30개의 LED가 한 줄로 연결되어 40V ~ 100V의 공급 전력으로 작동하고 약 0.35A ~ 1.0A의 전류를 소비합니다(그림 1).

그림 1: 스마트 조명 기구에서 사용되는 각 16개 LED 2열 조명 (이미지 출처: onsemi)

광원의 밝기는 인간의 눈에 보이는 겉보기 밝기를 측정하고 다양한 파장의 가시광선에 대한 눈의 민감도를 고려하는 루멘(lm)으로 평가됩니다. 광원에서 루멘을 생성하는 효율성을 효율이라고 하며 lm/W 단위로 측정됩니다. LED는 다른 일반적인 조명 기술보다 높은 효율을 가집니다. 하지만 모든 LED의 효율이 동일한 것은 아니며, 일부 LED는 다른 LED보다 훨씬 높은 효율을 가집니다. 또한 더 높은 전류로 구동될 경우 동일한 LED에서 더 강한 빛을 발생할 수도 있습니다.

LED는 다른 조명 기술보다 더 안정적이지만 완벽하지는 않습니다. 특히, 가로등, 산업 조명과 같은 고성능 조명 기구에서 과도하게 구동될 경우 LED가 고장날 수 있고, 단락이나 개방 회로로 인해 고장날 수 있습니다. 같은 열에 있는 LED가 단락 조건에서 고장날 경우 해당 LED는 꺼지지만 해당 열의 나머지 LED는 계속해서 작동합니다. 단락된 LED를 통해 전류가 계속 흘러서 개방 회로 가능 지점까지 과열될 경우 전체 LED 열이 꺼집니다.

LED 션트

LED 조명 기구 설계자는 작은 조명 기구로 더 많은 루멘을 제공해야 합니다. 이를 위해 LED를 오랫동안 높은 온도로 작동시켜 LED 고장을 일으킬 수 있습니다. 특히, 가로등 조명 기구의 경우 작동 수명이 최대 15년입니다. 바이패스 션트는 높은 작동 온도와 긴 수명이라는 상충되는 요구를 조정하는 데 도움될 수 있습니다. 열 전체가 꺼지지 않고 개방 상태에서 LED 1개가 고장날 경우 션트가 해당 LED를 우회하여 고장난 LED만 꺼지고 열 전체는 정상 작동 상태를 유지합니다(그림 2).

그림 2: 바이패스 션트를 사용하지 않을 경우 단일 LED 고장이 전체 열 꺼짐으로 이어집니다(왼쪽). 바이패스 션트를 사용하면 고장난 LED만 꺼지고 해당 열의 나머지 LED는 계속 작동합니다(오른쪽). (이미지 출처: onsemi)

션트는 조명 기구 설계 요구 사항에 따라 1개 또는 2개 LED를 우회하는 데 사용될 수 있습니다(그림 3). 각 LED를 우회하면 LED 1개가 고장날 경우 최소한의 밝기만 감소되지만, 비용에 더 민감한 솔루션에서 LED 2개를 우회할 경우 션트 수가 1/2로 감소됩니다. 예를 들어 onsemi의 NUD4700SNT1G는 같은 열의 개별 LED를 우회하는 데 사용될 수 있으며, LED를 다시 작동하거나 교체할 경우 자동으로 재설정됩니다. STMicroelectronics의 LBP01-0810B는 1개 또는 2개의 LED를 우회할 수 있으므로 설계 유연성을 높이고 부품 수를 줄일 수 있습니다. 또한 LBP01-0810B는 IEC 61000-4-2 및 IEC 61000-4-5에 정의된 서지에 대한 과전압 보호 기능을 제공합니다.

그림 3: 1개(왼쪽) 또는 2개(오른쪽) LED를 우회하는 LED 션트(점선 상자 내부)를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: onsemi)

스마트 거리 조명

스마트 거리 조명 시스템 설계자는 고전력 LED 조명에 대한 옵션을 평가하기 위해 STMicroelectronics의 STEVAL-LLL006V1 기판으로 전환할 수 있습니다(그림 4). 통합 HVLED001A LED 조명 컨트롤러는 다양한 작동 모드, 감지 및 보호 메커니즘을 포함하며, STP21N90K5 MOSFET을 사용하여 지능적이고 효과적인 전력 컨버터를 생성합니다. 이 LED 구동기 기판에서는 VIPER012LSTR 오프라인 고전압 컨버터 IC를 사용하여 0.7A 정전류로 60V ~ 110V 직류(DC)를 출력합니다. 스마트 거리 조명 응용 분야의 요구 사항을 충족하기 위해 이 구동기는 90VAC ~ 300VAC의 입력 범위, 0.97 이상의 PF, 15% 이하의 THD를 제공합니다. 내장형 SPSGRFC 1GHz 미만 트랜시버 모듈을 사용하여 켜기, 끄기 및 조광 명령을 수신한 후 통합 STM32L071KZ 마이크로 컨트롤러로 전송할 수 있습니다. 이 모듈은 5가지 아날로그 조광 수준을 지원합니다.

그림 4: STEVAL-LLL006V1 LED 조명 개발 기판은 전력 관리 및 무선 연결을 포함하는 플랫폼의 일부입니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

개발 도구

개발 공정을 단축하고 STEVAL-LLL006V1 평가 기판의 기능을 강조하기 위해 데이터 집선기 장치(DCU) 및 Android 모바일 응용 제품을 사용할 수 있습니다. DCU는 NUCLEO-F401RE 플랫폼을 기반으로 구축된 통합 평가 환경입니다. DCU에는 STEVAL-LLL006V1과의 1GHz 미만 통신을 위한 X-NUCLEO-IDS01A4 기판과 모바일 장치와의 Bluetooth 통신을 위한 X-NUCLEO-IDB05A2 기판이 포함되어 있습니다. 또한 STMicroelectronics는 스마트 거리 조명 컨트롤러 메시를 형성하고 네트워크 기능을 평가하는 데 사용될 수 있는 6LoWPAN Smart Streetlight 모바일 응용 제품을 제공합니다.

산업용 LED 조명

onsemi의 LIGHTING-1-GEVK 커넥티드 조명 플랫폼을 사용하여 연결된 산업용 LED 조명 솔루션의 시제품을 제작할 수 있습니다. 이 개발 플랫폼은 무선 제어, 오프라인 AC/DC 전원 공급 장치 또는 선택적 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 사용 선택, LED 모듈, LED 구동기 모듈, 모두 함께 연결하는 BLE 연결 모듈을 제공합니다. 사용 가능한 제어 옵션에는 onsemi의 RSL10 Sense and Control 모바일 앱 또는 웹 클라이언트 사용이 포함됩니다. 이 개발 기판에는 무료 RTOS, 맞춤형 펌웨어를 탑재한 CMSIS-Pack, 연결된 산업용 LED 조명 솔루션 탐색을 시작하기 위한 다양한 사용 사례가 포함되어 있습니다.

기본 LIGHTING-1-GEVK 키트에는 이중 LED 구동기, 2열 LED 탑재 LED 기판, ac/dc 전원 공급 장치, BLE 통신 모듈이 포함되어 있습니다(그림 5). 별도로 구입 가능한 PoE 전력 모듈은 최대 90W를 제공할 수 있습니다. 키트에 포함된 다양한 기판의 몇 가지 주요 사양은 다음과 같습니다.

• 이중 LED 구동기: 최대 96% 효율로 각각 최대 25W를 제공하는 FL7760 LED 구동기 2개, 최저 0.6%의 4,000단계 조광, 원격 측정 데이터(각 LED 구동기에 대한 전류 및 전압 측정 포함), 플러그형 MCU 모듈에서 무선 연결을 지원하는 데 필요한 헤더를 포함합니다.
• LED 기판: 이중 독립 채널(각 채널당 16개 LED). 7,000lm의 총 가용 밝기를 지원하기 위해 한 채널에는 121lm 정격 LED가 있고, 다른 채널에는 95lm 정격 LED가 있습니다.
• AC/DC 전원 공급 장치: PFC 탑재 FL7740 1차측 조정 플라이백 컨트롤러 2개를 포함하고, 90VAC ~ 270VAC 입력 범위에서 작동하며, LED 구동기 기판을 구동하기 위해 0.99 이상의 PF와 91% 이상의 효율로 55V에서 70W 출력을 생성합니다.
• BLE 모듈: 커넥티드 조명 플랫폼에서는 세 가지 BLE 서비스, 즉 연결된 장치에서 LED 상태를 원격으로 판독하고 변경하는 데 사용되는 조명 제어 서비스, 연결된 장치에서 LED 구동기의 전압 및 전류를 모니터링하는 데 사용되는 원격 측정 서비스, PoE 전력 인젝터에 의해 장치에 부과되는 PoE 전력 제한 관련 정보를 제공하는 PoE 전력 공급 서비스를 사용합니다.

그림 5: 기본 개발 키트에는 이중 LED 스트링, ac/dc 전원 공급 장치, BLE 연결 모듈이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: onsemi)

확장 기판

LIGHTING-1-GEVK 키트에는 BLE-SWITCH001-GEVB 에너지 수확 BLE 스위치 및 MULTI-SENSE-GEVB 다중 센서 기판이라는 두 확장 기판이 제공됩니다(그림 6). BLE 스위치를 사용하여 LED 밝기를 제어할 수 있습니다. 스위치를 누르고 있으면 밝기가 증가합니다. 스위치를 해제하거나 최대 밝기에 도달한 경우 조명 강도가 일정하게 유지됩니다. 스위치를 다시 누르면 밝기가 감소됩니다. 다중 센서 기판은 주변광 센서, 환경 센서 및/또는 관성 동작 센서를 포함하는 시스템의 시제품 제작을 지원합니다.

그림 6: LIGHTING-1-GEVK 키트에는 BLE 스위치 및 다중 센서 기판(위쪽 녹색 상자)이라는 두 확장 기판이 제공됩니다. (이미지 출처: onsemi)

설계 및 배포 옵션

LED 가로등 및 산업 조명 기구는 조명 네트워크의 설계와 배포를 재고할 수 있는 새로운 기회를 제공합니다. LED가 일반적으로 대체하는 기술과 달리 LED는 조광 가능하여, 필요에 따라 조명 수준을 최적화하기 위해 트래픽/사용 패턴, 시간, 센서 제품군 등 다양한 요소를 통합하는 스마트 시티 및 스마트 인더스트리 4.0 시설을 설계할 수 있는 기회를 제공합니다.

스마트 시티에서는 무선 메시 네트워크가 자연스러운 선택이지만, 인더스트리 4.0 시설에서는 무선 또는 이더넷 연결을 사용하여 제어할 수 있습니다. 이더넷은 전력과 통신을 모두 제공한다는 이점이 있습니다. 어느 경우든 온도, 습도 및 카메라 센서를 조명 기구에 통합하여 기능을 강화할 수 있습니다. 또한 내부 온도, 단락 또는 개방 LED 등 조명 기구 자체의 작동 조건을 모니터링하여 예방 유지보수 일정을 예약하고 작동 비용을 절감할 수 있습니다.

요약

위에서 살펴본 바와 같이 안정적이고 효율적인 커넥티드 LED 조명 시스템 설계는 조명 기구 설계에서 시작됩니다. 최적의 루멘을 제공하는 LED를 선택해야 하며, 션트를 사용하여 조명 기구의 신뢰성과 성능을 크게 개선할 수 있습니다. 스마트 시티 및 인더스트리 4.0 시설에서 유선 또는 무선 커넥티드 LED 조명을 사용하여 지속적 유지보수 및 운영 비용과 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 포괄적인 개발 플랫폼을 사용하여 스마트 커넥티드 LED 조명 솔루션을 빠르게 설계하고 배포할 수 있습니다.