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一種節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計

作者: 時間:2011-10-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
美國新的聯(lián)邦能源法要求在2012年之前逐步淘汰現(xiàn)在常見的 60W~100W 白熾燈等低能效照明燈泡。家用將全面轉(zhuǎn)向熒光燈、LED等其他光源。在目前這段切換的過渡期,比較明智的辦法是令高效照明技術(shù)與現(xiàn)有的家用調(diào)光系統(tǒng)相兼容。本文重點(diǎn)介紹了目前LED 調(diào)光解決方案面臨的挑戰(zhàn),并指導(dǎo)設(shè)計人員利用現(xiàn)有的三端雙向可控硅壁裝式調(diào)光器來對的離線 LED 電源進(jìn)行調(diào)光。

在美國聯(lián)邦法的推動下,LED 技術(shù)將給商業(yè)和家用照明領(lǐng)域帶來全新的變革。LED 的功率僅為燈泡的幾分之一,比熒光燈的效率(流明/瓦)更高,使用壽命長,而且沒有汞排放等帶來的環(huán)境污染問題。

如果要將低效的愛迪生白熾燈泡轉(zhuǎn)換為 LED,改裝方案必須能夠適應(yīng)現(xiàn)在的建筑條件要求。

替換MR16 12V鹵素?zé)?BR>
常見的MR16 20W-35 W的鹵素?zé)艉苋菀妆煌韧庑纬叽绲?LED 燈所替換。在圖 1 的設(shè)計示例中,驅(qū)動高亮度LED的600mA恒流來自常規(guī)電子變壓器的 12V 交流電源。由于 LM3405A 驅(qū)動器的工作電壓范圍較寬,一個非常小的輸入電容器即可維持連續(xù)運(yùn)行。高開關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)置為 1.6MHz,允許使用極小的表面貼裝電感器和貼片電容器。所有這些因素都有助于壓縮 PCB 的整體尺寸,以滿足MR16外形規(guī)格對空間的嚴(yán)格限制。


圖1 使用LM3405控制器的MR16 LED燈設(shè)計

使用電子變壓器分出 12V 交流電壓是MR16 鹵素?zé)舻某R娮龇?,該電壓整流為直流電壓后最多可以為三個串聯(lián)的LED提供電源,通過線性穩(wěn)壓器或更高效的開關(guān)解決方案控制電流。

不幸的是,一些低成本的電子變壓器只在使用純電阻負(fù)載(如鹵素?zé)簦r才能正常工作,使用較低的LED 負(fù)載時可能出現(xiàn)不兼容,而且不能進(jìn)行調(diào)光。

220V 交流電燈泡的替換工作更為復(fù)雜。因?yàn)槠漭斎腚妷汉芨?,還需要遵守危險物品安全條例。

替換220V交流三端雙向可控硅燈

采用LED 燈需要解決的一個難題:所需的恒流電源能夠兼容交流調(diào)光器的調(diào)光控制電路。

調(diào)光器是一個能夠控制負(fù)載交流電壓的電子設(shè)備。壁裝式調(diào)光器通常用于室內(nèi)照明。與“開/關(guān)”開關(guān)相比,壁裝式調(diào)光器可以提供更柔和的光線和更可控的照明。據(jù)家居控制聯(lián)盟 (HCA) 統(tǒng)計,在家用照明領(lǐng)域調(diào)光技術(shù)能夠平均節(jié)省 10% 的能耗。

對燈進(jìn)行調(diào)光是通過降低燈的功率實(shí)現(xiàn)的。早期的調(diào)光器使用串聯(lián)電阻,但這會產(chǎn)生大量的熱,并導(dǎo)致能源浪費(fèi)?,F(xiàn)在的電子調(diào)光器使用相位調(diào)制控制方案,使用半導(dǎo)體三端雙向可控硅來切割電源,以便只將交流電源每個半周期的一部分應(yīng)用到負(fù)載上。對于其余部分,開關(guān)是斷開的。給負(fù)載提供的功率數(shù)額因此與交流電源的相位角成正比。這個簡單的低成本技術(shù)可以為各類白熾燈進(jìn)行調(diào)光。

LED 燈的調(diào)光方式則有所不同,通常有如下兩種方式:通過直接改變 LED 電流(模擬亮度控制),或通過以人眼無法察覺的更快速度開啟和關(guān)閉 LED 來間接控制(PWM調(diào)光)。PWM 調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)主要在于可以在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 亮度,而不影響光線的主波長,因此可以很好地控制顏色和亮度。通過給恒流 LED 電源的專用引腳施加方波信號,可以實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)光。

不過,壁裝式交流調(diào)光器上使用的相位調(diào)制控制方案與大多數(shù) LED 燈的調(diào)光方法不兼容。典型的 LED 燈通過三端雙向可控硅供電,會發(fā)出可以聽見的噪音,產(chǎn)生低頻閃爍光線,而且調(diào)光能力有限。

傳統(tǒng)的三端雙向可控硅調(diào)光器通常被設(shè)計成連接電阻負(fù)載(鹵素?zé)艋虬谉霟襞荩┑慕涌凇6F(xiàn)在的 LED 驅(qū)動器解決方案與標(biāo)準(zhǔn)的壁裝式調(diào)光器相連,要么產(chǎn)生 120 Hz 的 LED 閃爍信號,要么無法實(shí)現(xiàn)100:1 的調(diào)光。圖 2 顯示了使用美國國家半導(dǎo)體 LM3445 LED 驅(qū)動器的 220V 交流設(shè)計電路。



圖2 使用LM3445的離線LED驅(qū)動器

LM3445 LED 驅(qū)動器可直接替換目前連接到三端雙向可控硅調(diào)光器的白熾燈或鹵素?zé)粝到y(tǒng),無需再對其它設(shè)備做任何改變或者犧牲性能。該驅(qū)動器能夠解碼三端雙向可控硅切割的波形,然后將其轉(zhuǎn)換為可以對 LED 調(diào)光的信號,從而可以實(shí)現(xiàn)較寬的全范圍調(diào)光,而且不會出現(xiàn)閃爍。

此外,使用這款新型三端雙向可控硅可調(diào)光 LED 驅(qū)動器時,工程師可以借助WEBENCH LED 設(shè)計工具輕松快速地完成設(shè)計。

WEBENCH LED 設(shè)計工具

作為Simple Switcher穩(wěn)壓器的電源設(shè)計工具,WEBENCH在線模擬工具于 2001 年問世。近期 WEBENCH具增強(qiáng)了交流離線 LED 設(shè)計功能,可以支持相關(guān)的白熾燈替換設(shè)計。

WEBENCH LED在線設(shè)計遵循的流程與其它WEBENCH設(shè)計流程相同,只需簡單的四個主要步驟即可獲得精心優(yōu)化的設(shè)計:

- 選擇合適的 LED 以及達(dá)到理想光照條件所需的 LED 數(shù)量

目前市場上有來自多家廠商的各式 LED。LED 的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括顏色、LED電流、光通量、角度和封裝。

圖3 虛擬旋鈕可以滿足設(shè)計取舍

- 選擇系統(tǒng)要求:輸入電壓、LED 數(shù)量、最大輸出電流、并聯(lián)和串聯(lián)

交流電源輸入電壓110V~220Vrms,交流電源頻率 50Hz ~60Hz,環(huán)境溫度。

- 綜合平衡各項要求,優(yōu)化物料清單

虛擬旋鈕可以優(yōu)化開關(guān)頻率,從而為更高效的設(shè)計與 PCB 封裝選擇物料清單。

- 工作值、系統(tǒng)性能和電路原理圖

該軟件會生成完整的設(shè)計報告,具有詳細(xì)的性能分析、每個外部元件的功耗、輸入電流和系統(tǒng)效率。

最后,離線設(shè)計的完整電路原理圖可以被呈現(xiàn)、修改并與其他設(shè)計人員共享。


圖4 最終設(shè)計的工作值報告,具有詳細(xì)的功耗分析

結(jié)論

LED高效照明系統(tǒng)的改裝解決方案必須滿足現(xiàn)有的建筑條件要求。用LED直接替換白熾燈或鹵素?zé)粝到y(tǒng)時,需要將其連接到三端雙向可控硅調(diào)光器。改裝方案必須簡單可行,不能犧牲性能。

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