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大功率LED道路照明光源调光方案的研究[1]

2014-1-15  来源:(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230029)  作者:杨光  有4485人阅读

照明级大功率LED技术的飞速发展,为第四代道路照明带来了前所未有的机遇,成为具有广泛应用前景、性能优良的道路照明光源。在实际使用中,人们不仅对LED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,而且对道路照明光源的光输出特性、大小等要求也不同。为此,需要对不同照明要求下的LED道路照明光源的调尤方案进行深入的研究。

  0 引言

  商品化的、发光效率大于100lm/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,是一种具有广阔应用前景、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:一是道路照明光环境的多样性,即从单一的照明时段的光源全功率输出到根据需求不同时段的可变光强度的输出;二是道路照明节能的要求,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,如此一来既可以满足道路安全的要求,又可以节约大量的能源。

  因此,针对上述的两点,需要对在不同照明模式下的LED道路照明光源的调光方案进行专门的研究。

  1 LED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,调光的问题不仅是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元级型两大类,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的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的配合下,单元分组调光的这种最简单的形式,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 )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,因此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)的调光原理及光源内LED单元均匀分组排列的结构示意(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,只是调节明暗的平滑度稍差,不能随意地调节。

  (2)LED单元的非均匀分组调光

  同一道路光源内LED单元的非均匀分组调光主要是,其中的每个LED单元分别担任不同的光输出角色,总体作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单元的非均匀分组排列的形式来获得在调光模式下的、需要强调或保证的道路照明效果。图2给出了这种调光原理及调光前后的LED单元组亮灭的变化情况。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)。

  图1 LED单元均匀分组调光原理及排列示意

  图2 LED单元的非均匀分组调光原理及排列示意

  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。

  (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:参与调光的每个皿D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,四D单元按照需要平滑地改变工作状态,使得光源输出的光通量在大范围内自由变化,可以得到良好的道路照明、调光和节能效果。

  (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条件下,通过在其输出端串联的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:一是串联一可调电阻(手动调节,见图3(a)),二是串联一工作于放大区域的大功率晶体管(可以利用小信号来调节)。由LED的正向电流与光输出的对应关系来看,在允许的起围内,这种对应的关系几乎是线性的。图3给出了这种LED的线性调光的原理和对应关系曲线。

  图3 LED无组线性调光原理及对应关系

  该方案存在的主要问题是:基于白光LED的特性表明,调光时的色温将发生变化,不适合于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。另外输出端引人的线性元件将带来总体损耗的加大、效率的降低。因此不是一种理想的、具有良好效果的道路照明调光方案。

  (2)LED的无级型模拟调光

  LED的元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0-10 V)或电阻等方式来改变驱动器输出电流的大小值,也可以调节道路照明的LED单元的发光强度,对应的关系近似为线性,调光原理、光输出与电阻值对应关系可参见图4所示。具有电路简单、调节时电流的过冲小、效率相对较高。存在的主要问题是:调光时的色温也将发生变化,不适合于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。

  (3) LED的PWM型无级调光

  为了解决上述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瞬时电流的大小的前提下,只改变其输出电流的占空比(即电流有效值改变),来达到调光的目的,就是一种理想的调光方式。调光的关系式可表述为

  

  图5给出了具体的应用原理、光输出与调光信号占空比的对应关系,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,并且整个的电路也较为复杂。

  图4 LED无级模拟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人电压的大小来调节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。最常用的自炽灯的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:

  一是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114亮度时,功率因数将低于0.25;二是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调光器中的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。文献[4]、[5]给出了这种应用的原理、相应的光输出与输入功率的对应关系(见图6)。

  图6 LED的交流输入相控调光原理及对应关系

  1.2 LED道路照明的调光特性

  由上述的分析可知:LED照明光源的调光问题不仅造成光输出量减少的单一变化,而且会给LED及整个照明光源带来一系列相关联的特性改变,因此需要分别对其调光运行的特性加以研究。

  1. 2.1 LED的特性变化

  由于对LED进行调光的机理就是改变其正向的电流有效值大小,而LED的诸多特性都是与其直接相关联的,因此在调光模式下LED的特性变化主要体现在以下几个方面:

  (1 )LED的光输出及出光效率

  目前,主流的、照明用大功率白色LED的工作原理都是利用蓝光LED激发YAG荧光粉来获得白光的。文献[6]给出了某品牌的蓝光LED(InGaN)的正向电流分别与光输出和出光效率的关系。

  由图7可知:蓝光LED的光输出随着正向电流的增加呈近似的线性增加,这说明电流大小与光输出多少成正比,而其光效η=φ/W(lm/W)则随着正向电流的增加而近似线性下降,原因是其中相当多的能量被晶格吸收转变为热量消耗掉,没有发挥应有的作用。由此可见,由于道路照明的LED在调光运行模式下,电流的减小将带来光输出的减小和出光效率的增大,对LED道路照明的运行有利。再进一步推断:对于上述通过改变LED正向电流来进行调光运作的道路照明模式,照明光源中LED的运行也将处于较为有利的工作条件下;对于采用PWM模式来进行调光的LED由于间断的运行模式也对改善LED的运行条件有利。

  图7 LED的电流与光输出、光效率的对应关系

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