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大功率LED照明调光技术的发展与未来

  随着全球工业的发展,在工业化过程中二氧化碳排放的大量增加,全球气候恶化,各地洪涝旱灾、冰雹雪灾时有创纪录之势,严重威胁着人类的生存。为共同应对威胁,2009年12月,各国首脑聚集哥本哈根,商讨节能减排大计,各地积极制定和推行低碳计划。作为绿色、环保节能的LED照明,越来越受各国青睐,中国的“十城万盏”,美国洛杉矶的“十四万盏计划”正如火如荼推行。而调光技术在LED照明中的成功应用将进一步提高节能减排的效果。
  
  一、调光的必要性
  
  电能作为一种绿色能源,在各国能源应用领域中占越来越大的比重。据中国工程院院士陈良惠调查得出结论,估计在2010年,全国的用电量将达2.7万亿度,其中照明用电量将超过3000亿度。因LED照明耗电仅为传统白炽灯和HID灯的1/3,若采用LED灯替换现有的传统灯具,将有望节省电能2/3。其节约能源的效果可见一斑。
  
  调光技术的应用将进一步降低耗能,节省照明用电。目前,公共照明用电占整个照明领域三分之一,高达1000亿度。在国内,城市一般从傍晚5:30或6:00开始亮灯,然而小型城市在夜晚9点后、大中城市在午夜12点后,道路上路人稀少,即使在北京、上海及广州等繁华的都市,凌晨2、3点之后,道路上也罕见行人和车辆。从这一段时间开始至清晨6点路灯熄灭,在低交通流量的道路上仍保持较高的照度显然没有十分的必要。若能采用调光技术,使得LED路灯的输出功率在午夜12点后随着交通流量的减少而降低至一半,将节约用电高达500亿度,相当于节约了2009年三峡电站全年发电量的大约八分之五(三峡电站2009年发电798.5亿千瓦时),节能效果非常显著。
  
  采用调光技术,降低输出功率,将显著改善LED灯具的工作环境,延长灯具寿命,提高可靠性。影响LED灯具可靠性的关键因素是温度。无论是LED驱动电源还是LED芯片,环境温度越高,其寿命和可靠性会急剧下降。图一为LED驱动电源寿命与温度关系,当环境温度为25℃时LED电源寿命高达320,000小时,而当温度上升至60℃时,LED电源的寿命将缩短至只有35,000小时。
  
  温度越高,LED芯片的光衰也明显加剧。如图二为Cree公司的LED光源光衰曲线。从图中可以看出,LED的光衰和它的结温有密切的关系,所谓结温就是半导体PN结的温度,结温越高,LED光源越早出现光衰,也就是寿命越短。从图上可以看出,假如结温为105℃,亮度降至70%的LED光源寿命只有一万多小时;结温95℃时LED光源寿命就有2万小时;而结温降低到75℃,寿命就可长达到5万小时,65℃时寿命更可以延长至9万小时。综上所述,延长LED光源寿命的关键就是要降低结温。
  
  采用调光技术,随着输出功率地降低,驱动电源自身损耗也将降低,其壳温也将同时下降。如图三所示200W LED驱动电源输出功率与外壳壳温曲线。当环境温度为25℃满载输出时,外壳温度为50℃,而采用调光技术控制输出只有50%功率时,其外壳温度下降至40℃,寿命也将翻倍,可靠性可提高25%-40%。
  
  传统白炽灯或HID由于无法调光,七十年代日本能源危机下,曾采用间隔点灯方法试图节能。但由于路面照度不均匀,导致路人的视觉出现问题,治安和道路交通事故大幅上升,最后不得不放弃间隔点灯法。调光技术的迅速发展,会将LED照明调光系统带入一个崭新的领域,从而将绿色环保节能的LED照明应用进行大范围的普及与推广。
  
  二、LED灯具主要调光技术简介
  
  在LED刚开始应用于道路等公共照明时,在推广初期,有些LED灯厂为了达到调光节能的目的,借鉴了间隔点灯的思路,将一盏LED灯的LED芯片分成两部分,分别控制其驱动电流的通和断,在午夜12点前,所有LED全部点亮,12点之后断开一半,以达到节能目的。此种调光方式能达到一定的节能效果,照度的均匀度较传统间隔点灯方式有明显改善,但是仍将影响LED灯具的配光曲线。为了进一步改善LED灯具的光效和配光曲线,有些LED灯厂又考虑将LED芯片采用间隔方式排布,在调光时只看到间隔的亮或者灭,在一定程度上改善了均匀度和配光。
  
  LED芯片的亮度与LED驱动电流成定比例关系,因此可通过调节LED驱动电流来实现LED灯的调光,第二种调光方式通常被称为模拟调光方式或线性调光方式。该种调光方式的优点是:当驱动电流线性增加或减少时,相对减少了驱动电流过冲中对LED芯片的影响,控制电路抗干扰性较强。其缺点是驱动电流的大小变化,将对LED芯片的色温有一定影响。此种调光方式目前典型的应用是安徽六潜、六武高速公路LED隧道灯照明。
  
  第三种调光方式是脉亮调制(PWM)方式。该种方式是通过一定的控制使驱动电流呈方波状,其脉冲宽度可变,通过脉冲宽度的调节改变LED灯持续点亮的时间,也同时改变了输出功率,从而达到节能的目的。频率一般控制在200Hz~10KHz,由于人的眼睛视觉的滞留性,不会感觉到光源在调光过程中发生的闪烁。此种调光方式的优点是能改善LED的散热,缺点是驱动电流的过冲对LED芯片的寿命有一定的影响。
  
  以上三种调光方式都是根据LED驱动电流输出端的控制来分类的。控制电路也可以分为模拟控制和PWM控制,控制电路通常是通过微控制器(如单片机)来实现的。
  
  三、调光系统的组成与未来发展
  
  完善的智能控制应该具有手动控制、智能控制、光控、时控及故障报警控制功能。当太阳下山天色渐暗后能自动点亮,午夜12点后灯的照度能自动减半;天亮后,灯能自动熄灭;特殊情况下,人能够手工控制;而在灯具发生故障时,控制系统能自动报警。
  
  智能调光系统主要由服务器、中央控制器、单片控制器及信号检测电路四大部分组成。
  
  服务器:由上位机和上位机软件组成,主要实现监控操作和报警功能。服务器位于路灯管理等控制中心,其与中央控制器之间的联系可采用电力载波、网络或无线方式。
  
  中央控制器:负责接受服务器发来的信号,并解码后发送至单元控制器,实现控制,同时将信号检测的结果传送至服务器。
  
  信号检测电路:检测环境亮度、驱动电源电压、电流。并将检测所得的信号发送至单元控制器或者中央控制器。
  
  单元控制器:每一盏LED灯配有一个单元控制器,通过接收中央控制器的指令,对LED进行调光或者开与关控制,同时将LED灯的驱动电压、电流通过信号检测电路送到中央控制器。当LED灯具出现故障时将故障信号传送至中央控制器。
  
  目前在道路照明领域,LED的应用正在迅速普及,长寿命和可靠性仍是目前考虑的第一要素,但随着技术的发展,当寿命和可靠性问题在一定程度上得已解决时,LED照明应用必然朝智能化调光系统大步迈进。
  

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