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(多图) 大功率LED道路照明光源的调光方案

2011年11月17日 ?? 收藏0
前言

商品化的、发光效率大于100 lm/W 的照明级高亮度白光LED(HBW-LED,以下简称为LED)技术的飞速发展,为第四代照明带来了前所未有的机遇,是一种具有广泛应用前景、性能优良的道路照明光源

虽然如此,应该看到在实际使用中,人们不仅对道路照明的现场环境、照明舒适度以及照明节能的要求越来越高,而且对品种丰富多样、功率越来越大的LED 道路照明光源的光输出特性要求也不同。主要体现在以下两个方面:

●道路照明光环境的多样性,即从单一照明时段满光输出到根据需求不同时段的可变光的输出;

●道路照明节能的要求,即整个照明时段从全功率照明到某些时段的降功率照明,这样既可以满足道路安全的要求,又可以节约大量的能源。

因此,针对上述两点,需要对不同照明模式下LED道路照明光源的调光方案进行专门研究。

1 发光二极管道路灯具的调光特性分析

无论是从当前道路照明的角度出发还是从节能方面的考量,LED 道路照明的调光需求都是合理且必要的。由于LED 器件自身固有的特性,调光不仅造成光输出量减少的单一变化,而且会带来一系列相关联的特性改变。主要的相互关联有:LED 芯片的发热温升、出光效率、使用寿命的变化,以及照明光源的光输出特性、道路的照明效果、驱动器工作特性、寿命变化等等一系列的问题。

1.1 LED 道路照明光源的调光模式

从实际使用的角度来看,LED 道路照明光源的调光模式主要分为有级型和无级型两大类,具体的分析如下:

1.1.1 LED 的有级型调光模式

LED 的有级型调光是最常见的,也是最简单、使用最方便的调光方式。

鉴于单片封装LED功率的相对较小及光源整体散热的限制,LED 道路照明光源一般均采用多单元的阵列结构。每一个LED 单元都具有独立的配光特性,采用在驱动器的输出制式配合下,单元分组调光这种最简单的形式或者借鉴传统道路照明调光方式的路灯间隔照明的减光方式。不仅如此,依据LED 道路照明光源调光对其光输出特性的影响,又可以细分为以下几种:

1.1.1.1 LED 单元的均匀分组调光

对于具有满足道路照明要求光输出特性的LED单元,其均匀分组调光只改变道路照明光源光输出强度的大小,几乎不改变其光输出的特性,可以获得调光前后一致的整体光输出特性,是一种较为优良的调光方式。在驱动器的配合下,可以实现多档调光。

图1 给出了在同一道路照明光源内多单元LED(在采用透镜配光的、单一的LED 单元就能够满足配光特性要求的前提下)的调光原理a 及光源内LED 单元均匀分组排列的结构示意b(一种样式)。由此可以得出,调光前后的对比只是改变光源光强输出的大小,而不改变本身的配光特性,因此调光的效果是比较理想的,但是调节明暗的平滑度稍差,不能随意地调节。

LED 单元的均匀分组调光

1.1.1.2 LED 单元的非均匀分组调光

同一道路照明光源内LED 单元的非均匀分组调光,主要是每个LED 单元分别担任不同的光输出角色,总体用来形成满足配光要求的光输出特性,具有构成简单、操控方便等特点。通过LED 单元非均匀分组排列的形式来获得在调光模式下保证道路照明效果。

图2 给出了这种调光原理a 及调光前后的LED 单元组亮灭的变化情况b。例如,城市道路照明中的前、后半夜需要不同的照明模式:前半夜为主、次车道全照明模式(组1 +组2),以保障主/快车道及次/慢车道的交通安全;后半夜交通流量很小,仅为主/快车道的道路照明模式(组2)。由此可见在同样的照明光源功率下,这种调光的方式较图1 来说就显得更为简单明了。

LED 单元的非均匀分组调光

1.1.1.3 LED 道路光源的间隔调光

LED道路照明光源的间隔调光是仿照传统道路照明,如高压钠灯(HPS)路灯的调光方式,通过开闭相隔的光源来达到调光/减光的目的,方法简易、操控方便。虽然单个光源的光输出特性、照明效果、芯片的发热量、出光效率、使用寿命以及驱动器特性、使用寿命等在调光前后没有变化,并且也能够获得很高的节能效果(50%),但是其致命的缺点是对总体道路照明的光照均匀度影响较大,易形成照明暗区即所谓的“斑马效应”, 严重影响到道路的行车安全,达不到国家对道路照明的规范要求,因此只适宜于对照明要求不太严格的次/慢车道和小道上使用。

1.1.2 LED 的无级型调光模式

LED道路照明的无级型调光方式是一种比较理想的、在一定范围内随意平滑的调光方式。其主要特点是:参与调光的每个LED 单元的工作状态不再是只有亮和灭两种状态,而是工作于其中的某一中间环节,LED 单元按照需要平滑的改变工作状态,使得光源输出的光通量在大范围自由变化,可以得到良好的道路照明、调光和节能效果。

1.1.2.1 LED 的无级型线性调光

LED的无级型线性调光是基于恒压驱动器的条件下,通过在其输出端串联线性元件的方式来改变驱动器输出电流的大小值,即调节LED 单元的发光亮度。

构成的方式有两种:一是串联——可调电阻(手动调节,见图3a),二是串联——工作于放大区域的大功率晶体管(可以利用小信号来调节)。从LED 的正向电流与光输出的对应关系来看,在允许的范围内,这种对应的关系几乎是线性的。图3 给出了这种LED 线性调光的原理a 和对应关系曲线b。该方案存在的主要问题是:基于白光LED 的特性使然,调光时的色温将发生变化,不适合对色温要求恒定的照明光源,但是对于不太重要的道路照明可能影响不大,选用时需要慎重考虑。另外输出端引入的线性元件将带来加大总体损耗、降低效率的不良后果。

LED 的无级型线性调光

因此不是一种理想的道路照明调光方案。

1.1.2.2 LED 的无级型模拟调光

LED的无级型模拟调光是基于恒流的驱动条件下,通过在驱动器的控制端加以直流控制电压(如0~10V)或电阻等方式来改变驱动器输出电流的大小值,也即可以调节道路照明LED 单元的发光强度,对应的关系近似为线性,调光原理光输出与可调电阻对应关系可参见图4 所示。该模拟调光具有电路简单、调节时电流的过冲小、效率相对较高优点。存在的主要问题是:

调光时的色温将发生变化,不适合对色温要求恒定的照明光源,但是对于不太重要的道路照明可能影响不大。因此是一种较理想的、具有较好效果的道路照明调光方案。

LED 的无级型模拟调光

1.1.2.3 LED 的脉宽调制(PWM) 型无级调光

为了解决LED 的无级型线性调光和LED 的无级型模拟调光方案所带来的诸多不利问题,提高LED 道路照明的效果及调光运行的效率,通过利用人眼的暂留视觉特性,在不改变LED 瞬时电流大小的前提下,只改变其输出电流的占空比(即电流有效值改变),来获得调光的目的,就是一种理想的调光方式。调光的关系式可表述为:

DIM-LED= DIM× LED,

(式中: DIM-LED 为LED 调光的平均电流, DIM 为调光控制波形的占空比; LED 为LED 正常电流。)图5 给出了具体的应用原理a、光输出与调光信号占空比的对应关系b,可供参照。

其主要的优势是:基于白光LED 的特性,调光时光源的色温将能够保持不变,因此对道路照明的效果就更为有利;不足之处是:调光运行时LED 的过冲电流较大,发光效率有所降低,并且整个电路也较为复杂。

LED 的脉宽调制型无级调光

1.1.2.4 LED 交流输入的相控调光

通过采用交流相位调压原理来改变驱动器输入电压的大小来调节LED照明光源的光通量也是一个可行的方案,并且具有通用性。最常用的白炽灯调光方案是依靠一个成熟的元件晶闸管SCR改变输入交流电压来实现的,但是直接采用晶闸管SCR 来对LED 调光将会有以下的问题:

①光源的功率因数问题:SCR 的导通角愈小,功率因数就愈低。当调到1/4 亮度时,功率因数将低于0.25;

②光源的效率及照明效果:在调光为低点时,LED电流不足,会造成SCR 的提早关闭,导致SCR 调光器中RC 延时电路的时间发生错乱,造成LED 照明光源的闪烁不定。

为此,需要研发出一种能够适用于SCR 调光的专用LED 照明光源的驱动芯片,用来满足采用常规SCR调光器对LED 照明光源的调光要求。图6给出了这种相控调光原理、相应的光输出与输入功率的对应关系。

LED 交流输入的相控调光


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道路照明? 调光模式? 驱动器?

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