大功率LED道路照明光源调光方案的研究

By | 2020年7月24日

  0 引言


  商品化的、发光效率年夜于100lm/W的照明级高亮度白光LED(HBW-LED,如下简称为LED)技巧的飞速倒退,为第四代照明带来了史无前例的时机,是一种具备广阔使用前景、功能优异的路线照明光源。


  尽管如斯,应该看到正在实际应用中,人们不只对路线照明的现场环境、照明温馨度和照明节能的要求愈来愈高,并且对种类丰厚多样、功率愈来愈年夜的LED路线照明光源的光输入特点要求也没有同。次要表现正在如下两个方面:一是路线照明光环境的多样性,即从繁多的照明时段的光源全功率输入到依据需要没有同时段的可变光强度的输入;二是路线照明节能的要求,即从整个照明时段的全功率照明到某些时段的减功率照明,如斯一来既能够餍足路线平安的要求,又能够节约年夜量的动力。


  因而,针对上述的两点,需求对正在没有同照明模式下的LED路线照明光源的调光计划进行专门的钻研。


  1 LED路线灯具的调光特点剖析


  无论是从以后路线照明的角度登程仍是从节能方面的考量,LED路线照明的调光需要都是正当且须要的。因为LED器件本身固有的特点,调光的成绩不只是造成光输入量缩小的繁多变动,并且会带来一系列相干联的特点扭转。次要的互相联系关系有LED芯片的发烧温升、出光效率、应用寿命的变动,和照明光源的光输入特点、路线的照明成果、驱动器工作特点、寿命变动等一系列的成绩。


  1. 1 LED路线照明光源的调光模式


  从实际应用的角度来看,LED路线照明光源的调光模式次要分为有级型以及元级型两年夜类,详细的剖析以下:


  1. 1. 1 LED的有级型调光模式


  LED的有级型调光是最多见的,也是最简略、应用最不便的调光形式。


  鉴于单片封装LED的功率的绝对较小及光源全体散热的限度,LED路线照明光源普通采纳多单位的阵列构造。每个LED单位都具备自力的配光特点,采纳正在驱动器的输入制式的合营下,单位分组调光的这类最简略的方式,或许自创传统路线照明调光形式的路灯距离照明的减光形式。不只如斯,根据LED路线照明光源调光对其光输入特点的影响,又能够细分为如下几种:


  (1 )LED单位的平均分组调光


  关于具备餍足路线照明要求光输入特点的LED单位,其平均分组调光只扭转路线照明光源光输入强度的巨细,简直没有扭转其光输入的特点,因而能够取得调光先后分歧的全体光输入特点,是一种较为优异的调光形式。正在驱动器的合营下,能够完成多档调光。


  图1给出了正在同一路线照明光源内多单位LED(正在采纳透镜配光的、繁多的LED单位就可以餍足配光特点要求的条件下)的调光原理及光源内LED单位平均分组陈列的构造表示(一种款式)。由此能够患上出,调光先后的比照只是扭转光源光强输入的巨细而没有扭转自身的配光特点,因而调光的成果是比拟理想的,只是调理明暗的滑润圆滑度稍差,不克不及随便地调理。


  (2)LED单位的非平均分组调光


  同一路线光源内LED单位的非平均分组调光次要是,此中的每一个LED单位辨别负责没有同的光输入脚色,总体作用来构成餍足配光要求的光输入特点,具备形成简略、操控不便等特性。经过LED单位的非平均分组陈列的方式来取得正在调光模式下的、需求强调或保障的路线照明成果。图2给出了这类调光原理及调光先后的LED单位组亮灭的变动状况。例如,都会路线照明中的前、后中午需求没有同的照明模式:前中午为主、次车道全照明模式(组1+组2),以保证主/慢车道及次/快车道的交通平安;后中午交通流量很小,仅为主/慢车道的路线照明模式(组2)。



  图1 LED单位平均分组调光原理及陈列表示



  图2 LED单位的非平均分组调光原理及陈列表示


  因而可知,正在一样的照明光源功率下,这类调光的形式较图1来讲就显患上更为简略清楚明了。


  (3)LED路线光源的距离调光


  LED路线照明光源的距离调光是仿照传统路线照明(如HPS路灯)的调光形式,经过开闭相隔的光源来达到调光、减光的目的,办法繁难、操控不便。尽管单个光源的光输入特点、照明成果、芯片的发烧量、出光效率、应用寿命和驱动器特点、应用寿命等正在调光先后不变动,而且也可以取得很高的节能成果(50%) ,然而其致命的缺陷是对总体路线照明的光照平均度影响较年夜,易构成照明暗区即所谓的”斑马效应”,重大影响到路线的行车平安,达没有到国度对路线照明的标准要求,因而只适合于对照明要求没有太严格的次/快车道以及大道上应用。


  1.1. 2 LED的无级型调光模式


  LED路线照明的无级型调光形式是一种比拟理想的、正在肯定范畴内随便滑润圆滑的调光形式。其次要特性是:参加调光的每一个皿D单位的工作状态再也不是只有亮以及灭两种状态,而是工作于此中的某一两头环节,四D单位依照需求滑润圆滑地扭转工作状态,使患上光源输入的光通量正在年夜范畴内自在变动,能够失去精良的路线照明、调光以及节能成果。


  (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前提下,经过正在其输入端串连的线性元件的形式来扭转驱动器输入电流的巨细值,即调理LED单位的发光洁度。形成的形式有两种:一是串连一可调电阻(手动调理,见图3(a)),二是串连一工作于放年夜区域的年夜功率晶体管(能够行使小旌旗灯号来调理)。由LED的正向电流与光输入的对应关系来看,正在容许的起围内,这类对应的关系简直是线性的。图3给出了这类LED的线性调光的原理以及对应关系曲线。



  图3 LED无组线性调光原理及对应关系


  该计划存正在的次要成绩是:基于白光LED的特点标明,调光时的色温将发作变动,没有适宜于对色温要求恒定的照明光源,然而关于没有过重要的路线照明可能影响没有年夜,选历时需求稳重思考。另外输入端惹人的线性元件将带来总体损耗的加年夜、效率的升高。因而没有是一种理想的、具备精良成果的路线照明调光计划。


  (2)LED的无级型模仿调光


  LED的元级型模仿调光是基于恒流的驱动前提下,经过正在驱动器的管制端加以直流管制电压(如0-10 V)或电阻等形式来扭转驱动器输入电流的巨细值,也能够调理路线照明的LED单位的发光强度,对应的关系近似为线性,调光原理、光输入与电阻值对应关系可参见图4所示。具备电路简略、调理时电流的过冲小、效率绝对较高。存正在的次要成绩是:调光时的色温也将发作变动,没有适宜于对色温要求恒定的照明光源,然而关于没有过重要的路线照明可能影响没有年夜。因而是一种较理想的、具备较好成果的路线照明调光计划。


  (3) LED的PWM型无级调光


  为理解决上述调光计划所带来的诸多没有利成绩,进步LED路线照明的成果及调光运转的效率,经过行使人眼的暂留视觉特点,正在没有扭转LED刹时电流的巨细的条件下,只扭转其输入电流的占空比(即电流无效值扭转),来达到调光的目的,就是一种理想的调光形式。调光的关系式可表述为


  


  图5给出了详细的使用原理、光输入与调光旌旗灯号占空比的对应关系,可供参照。


  其次要的劣势是基于白光LED的特点,调光光阴源的色温将可以放弃没有变,因而对路线照明的成果就更为无利;有余的地方是调光运转时LED的过冲电流较年夜,发光效率有所升高,而且整个的电路也较为复杂。



  图4 LED无级模仿调光原理及对应关系



  图5 LED的PWM调光原理及对应关系


  (4)LED交流输出的相控调光


  经过采纳交流相位调压原理来扭转驱动器输人电压的巨细来调理LED照明光源的光通量也是一个可行的计划,而且具备通用性。最罕用的自炽灯的调光计划是依托一个成熟的元件晶闸管SCR扭转输出交流电压来完成的,然而间接采纳晶闸管SCR来对LED调光将会有如下的成绩:


  一是光源的功率因数成绩,SCR的导通角愈小,功率因数就愈低,当调到114亮度时,功率因数将低于0.25;二是光源的效率及照明成果,正在调光为低点时,LED电流有余,会造成SCR的延迟封闭,招致SCR调光器中的RC延时电路的工夫发作紊乱,造成LED照明光源的闪动没有定。


  为此,需求研收回一种可以实用于SCR调光的公用LED照明光源的驱动芯片,用来餍足采纳惯例SCR调光器对LED照明光源的调光要求。文献[4]、[5]给出了这类使用的原理、相应的光输入与输出功率的对应关系(见图6)。



  图6 LED的交流输出相控调光原理及对应关系


  1.2 LED路线照明的调光特点


  由上述的剖析可知:LED照明光源的调光成绩不只造成光输入量缩小的繁多变动,并且会给LED及整个照明光源带来一系列相干联的特点扭转,因而需求辨别对其调光运转的特点加以钻研。


  1. 2.1 LED的特点变动


  因为对LED进行调光的机理就是扭转其正向的电流无效值巨细,而LED的诸多特点都是与其间接相干联的,因而正在调光模式下LED的特点变动次要表现正在如下几个方面:


  (1 )LED的光输入及出光效率


  今朝,支流的、照明用年夜功率红色LED的工作原理都是行使蓝光LED激起YAG荧光粉来取得白光的。文献[6]给出了某品牌的蓝光LED(InGaN)的正向电流辨别与光输入以及出光效率的关系。


  由图7可知:蓝光LED的光输入跟着正向电流的添加呈近似的线性添加,这阐明电流巨细与光输入几何成反比,而其光效η=φ/W(lm/W)则跟着正向电流的添加而近似线性降落,缘由是此中相称多的能量被晶格排汇转变成热量耗费掉,不施展应有的作用。因而可知,因为路线照明的LED正在调光运转模式下,电流的减小将带来光输入的减小以及出光效率的增年夜,对LED路线照明的运转无利。再进一步揣度:关于上述经过扭转LED正向电流来进行调光运作的路线照明模式,照明光源中LED的运转也将处于较为无利的工作前提下;关于采纳PWM模式来进行调光的LED因为间断的运转模式也对改善LED的运转前提无利。



  图7 LED的电流与光输入、光效率的对应关系

 

  (2)LED的色温变动


  正在调光运转的模式下,因为白光LED正向电流发作了变动,因而根据没有同的调光形式其色温变动状况也没有尽相反,详细的剖析以下所示。


  正在图8中,LED的光输入所对应色坐标X以及Y的值跟着LED正向电流的变动而有法则地变动。调光时LED的电流减小,此时X值增年夜,Y值减小,从而招致人们没有心愿的色温变动的呈现。关于采纳PWM调光模式运转的状况,因为LED工作时的刹时电流没有变,因此能够较好地处理色温的偏偏移成绩,然而发光的效率有所升高。演绎起来就是,白光LED正在路线照明使用时,采纳何种调光模式,需求基于路线照明的要求并依据人们对换光时白光LED电流减小招致色温变动(红移)的实用性(次要是辨识阻碍物的才能)及容忍性的巨细等来进行抉择。



  图8 LED的色坐标与正向电流的对应关系


  (3)LED芯片的温升以及寿命


  LED芯片的工作温升与其应用寿命有着间接的关系。绝对而言,温升越低,其应用的寿命就越长。例如,当LED芯片温度达45℃时,LED的应用寿命为1 X 106 h,而温度正在105℃时,其寿命锐减为2X 105 h。正在路线照明中,因为室外的环境前提较为顽劣,位于光源内(温度正在80-90 ℃以上)LED的温度较高,极其前提下简直靠近于其所容许的最高范畴,因而散热成绩是LED路线照明的外围成绩之一,需求下时间来处理。详细可参见图9所示。



  图9 LED的温升与寿命的对应关系


  基于此,正在调光运转模式下LED所具备的较低运转温度关于进步其应用寿命长短常无益的。


  1. 2. 2 LED驱动器的特点及寿命


  要使LED路线照明可以无效地施展其固有的劣势,驱动器的功能至关首要,也就是说驱动器功能的好坏间接关系到LED路线照明的应用以及照明成果。因为路线照明环境的残酷性以及高牢靠性的要求,通常驱动器需求具有如下的根本功能。1)输入余量:20~40% ;2)输人电压:90-305VAC;3)效率:80 -92%;4)功率因数:0.90-0.99;5)多级驱动隔离;6)50000 h持久性测试;7)8000 kV浪涌测试;8)表里部防雷零碎;9)防水等级:IP67-68。


  特地是正在要求调光的情景下,LED的体现更间接受制于驱动器的功能好坏。今朝对LED器件及路线照明配光特点钻研的文献较多,而对其正在实际照明光源前提下的工作前提、全体输入特点牢靠性及应用寿命等的钻研绝对较少。经统计显示,影响LED驱动电源寿命的一年夜次要要素是输出滤波电解电容器正在路线照明光源内低温环境下(80-90℃)的无效寿命成绩,普通法则是:应用的环境温度每一降低10℃ ,电解电容器寿命将会缩小一半。通常电解电容器的应用寿命正在5000h如下,而且与应用的环境温度有很年夜关系。尽管今朝市场上有一种105吃的低温电解电容器的标称寿命为1x 105,而且正在85℃环境下实践工作寿命可达4X 105h。按天天LED照明光源工作12 h来较量争论,实践上可用10年,然而其造价较高,而且没有同厂家的产物差别也较年夜。基于此,钻研缩小直至勾销电解电容器的LED驱动器是一课题标的目的。


  文献[9J辨别给出了基于某种特定产物的LED驱动器的应用寿命与温度的关系、驱动器输入功率与其温升的关系(见图10)。



  图10 LED驱动器的寿命与环境温度、输入功率与外壳温度的对应关系


  由图10可知,LED驱动器的工作寿命与其温度出现出较年夜的衰减特点。正在调光运转的前提下,因为LED负载变轻招致驱动器输入功率升高,其外部开关等器件的温升较低,因而从应用的角度来考量调光运转对驱动器的应用寿命无利,即可以正在较年夜的水平上进步其应用寿命,然而从其全体效率来讲,因为输入功率的减小(特地是正在调光的最小输入状态下),而其本身功耗的减小水平绝对输入功率来讲比拟小,因而将造成其全体效率的降落,这需求特地留意。


  1. 2. 3 LED光源的光输入特点及路线照明成果


  普通来讲,LED路线照明光源的光输入特点是根据路线照明标准的要求来确定的。正在LED路线照明光源光输入特点的设计上,次要是采纳LED的一次配光(本身的封装透镜构成LED器件)、二次配光(外加配光透镜构成LED单位)以及三次配光(光源内装置的陈列形式)或此中的1、二次配光形式来取得称心的路线照明成果。而正在调光的运转模式下,LED光源的光输入特点及路线照明成果就变患上较为复杂,要辨别加以剖析。


  (1 )LED路线光源的光输入特点


  关于餍足路线照明要求的、具备自力的光输入特点的单个LED(单位)而言,有两种状况需求调查:


  一是采纳无级调光(线性、模仿或PWM)的形式,即一切LED均参加调光,调光的后果只扭转光源的全体光输入的巨细,而没有扭转其光输入的特点,因而是一种理想的调光形式;二是经过LED(单位)来分组调光的情景,因为没有是每一个山D(单位)都参加调光运转的,因而调光后的光源的光输入特点是扭转的,此光阴源的光输入特点有可能不克不及餍足路线照明的相干要求,需求分门别类地加以当真思考以及抉择。


  (2)LED路线光源的照明成果


  正在上述(1)中提出,正在调光模式下LED路线照明光源的配光曲线有可能发作扭转,而光源的光输入特点对路线照明的成果起到决议性的作用,因而撇开采纳距离照明正在路线上构成的延续暗区、重大影响路线交通平安没有说,单单就上述的具备没有同的光输入特点的LED路线照明光源来讲,光源的光输入特点都是正在全功率输入前提下取得的,因而但凡调光后光输入特点扭转的,不论扭转几何,水平若何,对路线的照明都存正在着肯定的影响。因而,LED路线照明的调光成绩是一个综合性的成绩,实际运历时应该以保障路线的照明成果以及交通平安为条件,不克不及为了节能而节能,漠视了路线的交通平安,不然的话将是得失相当的。


  2 小结


  总之,社会经济及都会化过程的疾速倒退,使患上LED路线照明正在实际应用进程中,人们不只餍足于对其光输入特点的要求,并且对路线照明光源所提供的照明质量、照明环境、照明温馨度以及照明节能等也提出了更高的要求,特地是对LED路线照明前提下的交通平安、治安环境等要求也很高。这就要辨别加以当真剖析以及细心钻研。特地是要根据没有同调光形式下LED路线照明光源所具备的各自特性和相实用的路线照明现场环境,来对LED路线照明光源的设计进行改良以及优化。这样一来,对从此LED路线照明光源年夜范畴的推行以及使用都具备踊跃的意思。


 


编纂:Cedar