恒流驅(qū)動(dòng)源技術(shù)在太陽能LED路燈的設(shè)計(jì)應(yīng)用
一、概述
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/180885.htm太陽能的利用雖然有很多方法,但是像超大功率的太陽能發(fā)電站、家庭屋頂發(fā)電等都不適合中國的國情,唯一最簡單而最容易實(shí)現(xiàn)的是太陽能路燈。我國的路燈總數(shù)超過1億盞,只要其中的6000萬盞改成太陽能路燈,其每年節(jié)省的電量就超過一個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。如果把今后每年新增的2000萬盞路燈全部改用太陽能路燈,三年下來又是一個(gè)三峽水電站。其節(jié)能的效果是非??捎^的,而且完全不需要興師動(dòng)眾地動(dòng)員全國的力量來興建,而這樣發(fā)動(dòng)各級(jí)地方政府的力量和各個(gè)有關(guān)企業(yè)的力量就可以完成。
太陽能路燈的構(gòu)成十分簡單(圖1)。
太陽能路燈控制器電路圖:http://www.elecfans.com/article/88/131/190/2009/2009040846544.html
圖1. 太陽能路燈的構(gòu)成
太陽能路燈的安裝也十分簡單,幾乎就好像種樹一樣,挖一個(gè)坑,埋進(jìn)去就可以了。不像采用交流電的路燈,需要鋪電纜、建造變壓器房、挖維修井…。雖然單個(gè)太陽能路燈的造價(jià)要比普通的高壓鈉燈的造價(jià)貴,但是,如果考慮鋪設(shè)電纜等的總體造價(jià),二者就相差不多。再加上以后每年所節(jié)省的可觀的電費(fèi),可以說,太陽能路燈在一兩年之內(nèi)所節(jié)省的電費(fèi)就可以彌補(bǔ)其差價(jià),以后所節(jié)省的電費(fèi)就是純收益了。
從圖1所示的框圖中可見,其中最核心的部件,就是PWM調(diào)光控制器和恒流模塊。過去很多投資都投向太陽能電池、和LED。很少有人關(guān)心到這兩部分,以至于目前市面上的控制器大都沒有PWM調(diào)光的能力,而目前的恒流模塊絕大多數(shù)都是采用從國外進(jìn)口的芯片。而國家也不重視這方面投入。這是一個(gè)很大的問題,當(dāng)然也是有很大的機(jī)遇。
二、太陽能LED路燈為什么需要恒流驅(qū)動(dòng)
除了發(fā)光效率以外,要使LED能夠成為一個(gè)實(shí)用的燈具還有一系列問題需要解決。其中最重要的就是它的恒流驅(qū)動(dòng)。這是由以下幾個(gè)原因所決定的。
(一) 太陽能LED路燈所用的蓄電池輸出電壓不恒定
在太陽能路燈中通常是采用鉛蓄電池作為能量儲(chǔ)存單元的,而鉛蓄電池的輸出電壓從滿充到滿放,其電壓變化是會(huì)接近20%的(圖2)。所以它所引起的LED電流變化就有可能超過4倍以上。
圖2. 鉛蓄電池的放電曲線。
圖3. 某一公司的 LED的伏安特性
LED有很陡的伏安特性(圖3)。
假定初始的電壓為3.25V,這時(shí)的正向電流為350mA。假如供電電壓降低到2.6V(20%),這時(shí)的電流就不到40mA,降低了將近8.75倍。
而LED的發(fā)光亮度是直接和其正向電流有關(guān)的。同一廠家的同一 LED,其相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和正向電流的關(guān)系曲線如圖4所示。
圖4. 相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系
由圖中可以看到,如果正向電流從350mA降低8.75倍到40mA,其相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度將從100降低到20。降低將近5倍。顯然這是完全不能允許的。所以一定要把電流恒定。
(二) LED發(fā)光的溫度不穩(wěn)定
LED路燈通常在露天工作,其環(huán)境溫度的變化是很大的。
而LED的正向電流還和結(jié)溫有關(guān),圖5就表明LED在不同結(jié)溫時(shí)的伏安特性。
圖5. 在不同環(huán)境溫度時(shí)LED的伏安特性
LED的溫度系數(shù)通常為負(fù)的,也就是當(dāng)溫度升高時(shí)(T1->T2),伏安特性向左移動(dòng)。其值大約是-2mV/℃,那么當(dāng)其結(jié)溫增加50度時(shí),其正向電壓就會(huì)降低0.1V,假如用恒壓電源供電時(shí),其正向電流就會(huì)增加。比如,常溫25℃時(shí)LED最佳工作電流20mA,當(dāng)環(huán)境溫度升高到85℃時(shí),PN結(jié)電壓VF下降,工作電流急劇增加到35mA~37mA,但此時(shí)電流的增加并不會(huì)產(chǎn)生亮度的增加,稱為亮度飽和。同樣,當(dāng)環(huán)境溫度下降至-40℃時(shí),結(jié)電壓VF上升,最佳工作電流將從20mA減小到8mA~10mA,發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低,達(dá)不到應(yīng)用場(chǎng)所所需的照度。
而且當(dāng)溫度變化時(shí),LED的發(fā)光光譜也會(huì)發(fā)生變化。通常溫度增加時(shí)光譜的最大值是向波長長的方向漂移。大約是每升高10oC時(shí)漂移1nm,升高50度會(huì)產(chǎn)生5nm的變化(見圖6)。
圖6. LED發(fā)光的峰值波長隨環(huán)境溫度而變化
實(shí)際上,LED的光譜也是隨其正向電流改變而改變。這也是不希望的,所以一定要保持其正向電流恒定。采用恒流源供電以后,這種溫度變化所引起的電流變化就會(huì)轉(zhuǎn)化為其正向電壓的變化,從而不會(huì)引起亮度和光譜的變化。
(三)LED的PWM調(diào)光
在太陽能LED路燈中,常常需要按照工作時(shí)間來調(diào)節(jié)路燈的亮度,以減小太陽能電池板的面積。
為了改變LED的亮度,最簡單的方法就是改變其正向電流。但是,正向電流的改變會(huì)引起光譜的改變,對(duì)于白光LED,會(huì)引起其視在色溫的改變,顯然這是不希望的(圖7)。
圖7. 正向電流的變化引起的發(fā)光光譜的變化.
最好的方法就是采用脈寬調(diào)制(PWM)的方法來調(diào)光。這實(shí)際上利用了人眼的視覺殘留的特點(diǎn),使得雖然LED仍然以滿電流工作,但是它是開關(guān)式地間歇地工作,改變開和關(guān)的比例,就可以改變其視在亮度。為了不致引起閃爍的感覺,開關(guān)的周期必須小于人眼視覺殘留的時(shí)間,也就是說,PWM的頻率必須高于人眼所能感覺到的閃爍頻率。大約是在200Hz以上。不過,由于現(xiàn)在的LED功率越來越大,要產(chǎn)生大功率的PWM信號(hào)直接加到LED上是很麻煩的。幸好現(xiàn)在的恒流源大多是一種開關(guān)式直流變換器,它可以接受一個(gè)很小功率的PWM信號(hào),就可以輸出一個(gè)大功率的開關(guān)信號(hào)加到LED上,而同時(shí)還能保持恒流的作用,也就是它的峰值仍然保持原來設(shè)定的電流值。
所以,為了實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光也是需要采用恒流驅(qū)動(dòng)源。而調(diào)光功能在太陽能LED路燈中是非常重要的。例如可以在午夜以后改為半功率工作,甚至再以后改為1/3功率工作,這樣就可以大大減小太陽能電池板的面積,從而降低了整個(gè)燈具的成本。
(四)LED的不一致性
即使是同一型號(hào)的LED其伏安特性在各個(gè)個(gè)別的器件之間也是不同的,更何況在不同生產(chǎn)廠家之間就更是不同了(圖8)。
圖8. 同一廠家LED伏安特性離散性(實(shí)線),和不同廠家LED伏安特性的離散性(虛線)
從圖中可以看出,假如采用恒壓電源供電,它們之間的正向電流就會(huì)有很大的差異。而過大的正向電流也會(huì)導(dǎo)致光衰的加速,所以一定要用恒流源供電。
三.各種恒流源的選用
用在太陽能LED路燈中的恒流源,可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種:所謂升壓型就是它的輸出電壓比輸入電壓高。降壓型就是輸出電壓比輸入電壓低。而升降壓型則是可以根據(jù)輸入電壓低于或高于輸出電壓的情況自動(dòng)地調(diào)節(jié)其工作模式為升壓或降壓。
在太陽能LED路燈中,通常采用鉛蓄電池作為儲(chǔ)能器件,它的電壓通常為12V或24V兩種。而所要求的輸出電壓,則是由所連接的LED的架構(gòu)所決定。為了使得所有LED的正向電流一致,通常采用各個(gè)LED串聯(lián)的方式,這時(shí),所要求的輸出電壓就是所有串聯(lián)的LED正向電壓的總和。例如,假定用10個(gè)LED串聯(lián)(圖9a),其正向電壓的總和大約為10x3.3V=33V。其實(shí)由于各個(gè)生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的LED各不相同,而且各個(gè)LED之間也有所不同。所以,10個(gè)LED的正向電壓的總合也不盡相同。其實(shí)在恒流源中,所恒定的是電流而不是電壓。所以,并不需要知道正向電壓總和的準(zhǔn)確值,而只要知道它比輸入電壓高還是低就可以了。在這里,不論采用12V還是24V的蓄電池,它都要求采用升壓型的恒流源。
假如所用的LED為10V,1A的10瓦LED。那么不論是12Vd1蓄電池還是24V的蓄電池就都要采用降壓型的恒流源。
如果LED的電壓和電源電壓接近,例如負(fù)載為4個(gè)1瓦LED串聯(lián),那么它的電壓為13V左右,而蓄電池在充滿電的時(shí)候就會(huì)達(dá)到14V以上,這時(shí)候就要用降壓型的恒流源,但是如果在蓄電池快要放完電的時(shí)候,它的電壓就大概只有10.4V。這時(shí)候就需要采用升壓型的恒流源。所以,在這種情況下,就必須采用升降壓型的恒流源。
多個(gè)LED也可以采用串并聯(lián)的結(jié)構(gòu),通常我們稱之為幾串幾并。例如10串3并就是如圖9b的結(jié)構(gòu)。
圖9. LED的10串3并結(jié)構(gòu)
這時(shí)候雖然也可以采用一個(gè)恒流源供電,但是這時(shí)候的恒流源就只能夠恒定3串的總電流。這個(gè)總電流在各串中的分配是根據(jù)它們的伏安特性來分配的。因?yàn)榧釉谶@3串上的電壓是一樣的,而每串中的每一個(gè)LED的電流又是相同的,這時(shí)候就必須平衡在滿足這兩個(gè)條件的工作點(diǎn)上。而且,假如有一串中的一個(gè)LED壞了,就會(huì)把三串的總電流分配到兩串中去,這就加大了每串中的電流。為了減小各串之間的電流不平衡,可以把各串中所有的LED都并聯(lián)起來,構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格型的結(jié)構(gòu)。這時(shí)候如果某一串中有一個(gè)LED壞了,就不會(huì)影響到其它LED。但是,如果壞的LED呈現(xiàn)短路情況,那就會(huì)把其它兩串中的LED也都短路掉,不過LED損壞時(shí)以開路為多,短路比較少。當(dāng)然最好的方法就是用保護(hù)二極管(通常是齊納二極管)和每個(gè)LED并聯(lián),不過這樣就增加了成本。
當(dāng)然多個(gè)LED也可以采用全部并聯(lián)的方法,但是因?yàn)槊總€(gè)LED的伏安特性不一樣,如果這時(shí)候用恒壓源來供電就會(huì)產(chǎn)生極大的問題(圖10)。
評(píng)論