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優(yōu)化LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-04-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

正在成為業(yè)界的首選技術(shù),尤其適用于環(huán)境條件惡劣的場合。解決方案具有穩(wěn)健性,并且從不會(huì)完全失效。然而,其光強(qiáng)度確實(shí)會(huì)隨時(shí)間而減弱。在測量光輸出并調(diào)整電源以便在燈泡的整個(gè)壽命期間保持恒定光輸出的場合,采用自動(dòng)減低亮度的方法是非常有益的。這樣可以大大延長燈泡的使用壽命,并在燈泡制造狀況變更下保持穩(wěn)定的亮度。本文給出了用于街道、辦公室和工廠,使用各種傳感器技術(shù)工作的電路示例。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/200445.htm

系統(tǒng)級(jí)生態(tài)設(shè)計(jì)(ecodesign)的新途徑

就生態(tài)設(shè)計(jì)而言,對(duì)于給定的應(yīng)用,延長使用壽命永遠(yuǎn)是人們所希望的,因?yàn)樗c生態(tài)影響(ecological)直接相關(guān)。這不像說起來那么容易,因?yàn)閯?chuàng)新永不停止。需要考慮新的標(biāo)準(zhǔn)和新的應(yīng)用可能,并且需要實(shí)現(xiàn)新功能。重要的是不要僅僅執(zhí)行最低標(biāo)準(zhǔn),還要構(gòu)建搶得先機(jī)具有許多新功能的“更好的”產(chǎn)品,并且獲得一定的靈活性。“火星漫游車”就是一個(gè)很好的例子,大量的技術(shù)支持幫助實(shí)施了這項(xiàng)計(jì)劃,并且發(fā)射時(shí)間較原定計(jì)劃大大提前。

重要的是不僅具備靈活性,而且LED的使用壽命也要具備維持如此長時(shí)間的工作潛力。在此,需要考慮三類影響:快速變化的影響(例如開機(jī)電流)、緩慢變化的影響(例如參數(shù)漂移)以及外部影響。

對(duì)于所有應(yīng)用而言,開機(jī)電流是一種重要的應(yīng)力。電源中存在著可能造成這種應(yīng)力的大總線電容。此外,上電時(shí)的不明確狀態(tài)可能給應(yīng)用帶來應(yīng)力。為了避免這些狀況,應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)階段使用失效模式與影響分析(FMEA)對(duì)電路性能進(jìn)行仔細(xì)的分析。在完成的應(yīng)用中,重要的是檢驗(yàn)開機(jī)和關(guān)機(jī)過程中的電流和溫度。在設(shè)計(jì)階段,它們可能未被認(rèn)知,而在后期造成現(xiàn)場故障。

此圖顯示了由開機(jī)電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化,這時(shí)其它元件處于比較冷狀態(tài),整流器的溫度升高了很多,可能影響其使用壽命。

許多二、三十年前開發(fā)的應(yīng)用擁有能避免漂移所引發(fā)故障的電路技術(shù)。由于那時(shí)使用的許多元件具有較大的公差水平和更大的漂移,所以開發(fā)了對(duì)元件特性依賴較少的電路。為了延長一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品的使用壽命,許多這類技術(shù)不在如今的生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之列。這就增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,使得元件數(shù)目增加。電子線路的生態(tài)影響通常低于工作能耗所引起的影響,所延長的使用壽命可以彌補(bǔ)增加的復(fù)雜性。

功率電子是所有應(yīng)用和產(chǎn)品的一個(gè)重要部分,也更在生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之中,因?yàn)樽酉到y(tǒng)通過效率等特性影響到生態(tài)效應(yīng)。例如,較低的效率意味著一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品需要采用較大的散熱片,從而在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中消耗更多的能量,并需要使用更多的能量進(jìn)行運(yùn)輸和回收。因此,建議設(shè)計(jì)人員考慮達(dá)到最高效率和寬輸入電壓范圍,以便使用較少的元件,獲得最大的靈活性,因?yàn)檫@個(gè)部分以后不能改動(dòng)(例如:通過軟件更改)。

應(yīng)用中,使用LED解決方案是大勢所趨。除了具有更高的效率之外,LED本身具有很長的使用壽命,LED驅(qū)動(dòng)電子裝置在設(shè)計(jì)上應(yīng)該最大限度地利用LED的長使用壽命。以下是這種照明方案的示意圖:

街燈照明是這類照明方案的一個(gè)特殊實(shí)例,沒有其它哪種照明應(yīng)用結(jié)合了如此多的要求,這些要求并不總是趨于融合。溫度、濕度以及振動(dòng)等不斷變化的環(huán)境因素,以及高效率、高可靠性和低能耗需求,都成為照明解決方的考慮因素,同時(shí)還要考慮大批量生產(chǎn)和承受相應(yīng)的價(jià)格壓力。隨著燈對(duì)電能的消耗,溫度會(huì)從-40°C大幅上升至85°C。重要的是必須注意到,每個(gè)開關(guān)(每日)循環(huán)會(huì)引發(fā)一次溫度循環(huán)。這意味著在系統(tǒng)層面上,五年中燈泡會(huì)有接近2000次溫度循環(huán),這給系統(tǒng)帶來了很大的應(yīng)力。

由于街燈照明的成本是城鎮(zhèn)預(yù)算的一個(gè)重要部分,人們特別關(guān)注高效率,以期幫助降低街燈的運(yùn)作成本。目標(biāo)是使用盡可能少的電能來達(dá)到街道或人行道所需的發(fā)光度水平。這不包括維護(hù)成本,對(duì)于使用壽命較短的燈炮,其維護(hù)成本也很可觀。

粗略估算一定人口使用街燈數(shù)量的方法,是按照每六個(gè)居民一盞街燈的比例來計(jì)算。按照這一比例,德國大約有1330萬盞街燈——節(jié)能的潛力非常巨大。因此,許多城市和社區(qū)轉(zhuǎn)而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇了,或者更換整個(gè)燈泡,或者更換燈頭。


對(duì)路燈的預(yù)防性維護(hù)

面對(duì)所有這些要求,這種電源的設(shè)計(jì)很復(fù)雜,但并不是不可能。上圖的左側(cè)是輸入濾波器和橋式整流器的示例,后面跟著一個(gè)有些與眾不同的電路,其中反激電路使用了一個(gè)BCM-PFC-控制器。通常,電源周期內(nèi)開關(guān)頻率要發(fā)生變化,以保持輸出電壓的恒定。此處,使用振蕩器(帶Q102的電路)維持恒定的開關(guān)頻率,從而在整個(gè)電源周期內(nèi)維持一種恒定的占空比??梢愿淖冋伎毡龋m然以極低的速度),以便調(diào)整輸出電流。這不會(huì)產(chǎn)生問題,因?yàn)長ED不是動(dòng)態(tài)負(fù)載。借助這種改變,輸入電流將與輸入電壓對(duì)應(yīng),轉(zhuǎn)換器將恒定工作于DCM模式,獲得非常好的功率因數(shù)。

該圖顯示整個(gè)電源周期內(nèi)初級(jí)端(藍(lán)色)和次級(jí)端(棕色)的電流。很明顯,電流的峰值呈正弦形包絡(luò),這使其能夠在使用小輸入電容時(shí),仍然獲得好的功率因數(shù)和低傳導(dǎo)輻射。

該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因數(shù)。缺點(diǎn)是在雙倍電網(wǎng)頻率下,次級(jí)端的紋波電流很大,但對(duì)于LED照明而言,這不會(huì)成為缺點(diǎn),因?yàn)槿搜蹖?duì)100Hz的閃爍是不敏感的。

在次級(jí)端,利用一個(gè)電路將輸出電流(用分流電阻測量)轉(zhuǎn)換成初級(jí)端調(diào)節(jié)器的反饋信號(hào),以獲得驅(qū)動(dòng)LED的電流輸出。這里,對(duì)平均輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié),因?yàn)榉答伝芈繁仨毦徛?,以便在輸入端獲得好的功率因數(shù)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用金屬箔電容作為輸入電容,其小尺寸減小了對(duì)空間的要求,并顯著提高了壽命。

LED燈的壽命還由LED的亮度漂移決定。例如,OSRAM公司的“金龍+”LED燈的平均壽命為45000小時(shí)(焊接點(diǎn)溫度85°C,以0.7A電流連續(xù)工作)。其可分成四個(gè)階段,第一個(gè)階段是能夠向上或向下的相對(duì)快速漂移的階段,接下來是反射器老化階段,然后是LED僅有微小漂移的較長階段,最后是燈壽命漂移真正終止的階段,在這個(gè)階段中,亮度持續(xù)降低。

LED的失效不會(huì)是災(zāi)難性的,但是在到達(dá)額定壽命期時(shí),其亮度下降到70%。燈將隨時(shí)間的推移持續(xù)變暗。在某些應(yīng)用中,這不是問題,但對(duì)于其他一些有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求亮度恒定的應(yīng)用中,這種情況是不能被接受的。

與使用高壓鈉燈的普通路燈相比,LED燈更加耐用,并具有更長的壽命。不過仍有進(jìn)一步提升的可能性。為了延長壽命,并減小設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境的影響,可以使用亮度傳感器來調(diào)節(jié)亮度,并在壽命期內(nèi)獲得恒定的發(fā)光度。

下圖為用于大功率LED調(diào)光的次級(jí)端恒流控制電路的示例:

為了在不改變顏色的情況下改變LED的亮度,使用了脈寬調(diào)制方案。為此,在電路的輸入端施加一個(gè)方波信號(hào)。當(dāng)電壓高于1V時(shí),調(diào)節(jié)器禁用,LED串內(nèi)沒有電流流過。電壓很低時(shí),IC的輸入節(jié)點(diǎn)會(huì)承擔(dān)分流電阻反映出的電壓,有效地接通電流控制,并使LED串在這種恒定電流下工作。這將產(chǎn)生恒流脈沖,緊接著是暫停,即無電流流過。這樣將會(huì)在不改變顏色的情況下調(diào)節(jié)LED的亮度。結(jié)合上面的PFC反激式電路,重要的是要使用一種不會(huì)與電網(wǎng)頻率產(chǎn)生可見拍頻頻率的PWM調(diào)制信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)亮度傳感器的方法有很多種。例如可使用光敏晶體管或者光敏二極管,但它們需要部分模擬電路,以便使它們的信號(hào)適用于調(diào)節(jié)。還有一種許多商用亮度傳感器都在使用的標(biāo)準(zhǔn)化模擬接口,其控制電壓范圍為0至10V。在噪聲較大的環(huán)境中,信號(hào)也以用電流環(huán)路傳送,例如:以0至20mA電流工作。此外,在傳感器或者傳感器陣列與中央控制器相結(jié)合的地方可以使用數(shù)字接口來實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié),甚至實(shí)現(xiàn)冗余工作,比如可以對(duì)一些出現(xiàn)故障的燈進(jìn)行補(bǔ)償。這一點(diǎn)尤其有利于不便更換燈的環(huán)境,例如:在半導(dǎo)體生產(chǎn)廠內(nèi)。

利用這樣的中央控制器和燈,調(diào)節(jié)和接通操作不會(huì)對(duì)燈的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響,還能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能,比如根據(jù)用戶在場與否進(jìn)行調(diào)節(jié)、環(huán)境光調(diào)節(jié)、遙控(通過電話或短信)開燈關(guān)燈等。

結(jié)論

在早期,LED照明解決方案的光輸出低,可靠性也較差,這些缺點(diǎn)阻礙了它的普及。但是,隨后這些問題被克服,LED照明解決方案得到了越來越廣泛的應(yīng)用?,F(xiàn)在,隨著控制電路和應(yīng)用的不斷開發(fā),LED的長壽命特性開始大有用武之地,它的環(huán)保優(yōu)勢終于被充分顯現(xiàn)出來。



評(píng)論


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