大功率LED照明調(diào)光技術(shù)發(fā)展與未來
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一、調(diào)光的必要性
電能作為一種綠色能源，在各國能源應(yīng)用領(lǐng)域中占越來越大的比重。據(jù)中國工程院院士陳良惠調(diào)查得出結(jié)論，估計(jì)在2010年，全國的用電量將達(dá)2.7萬億度，其中照明用電量將超過3000億度。因LED照明耗電僅為傳統(tǒng)白熾燈和HID燈的1/3,若采用LED燈替換現(xiàn)有的傳統(tǒng)燈具，將有望節(jié)省電能2/3.其節(jié)約能源的效果可見一斑。
調(diào)光技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步降低耗能，節(jié)省照明用電。目前，公共照明用電占整個(gè)照明領(lǐng)域三分之一，高達(dá)1000億度。在國內(nèi)，城市一般從傍晚5:30或6:00開始亮燈，然而小型城市在夜晚9點(diǎn)后、大中城市在午夜12點(diǎn)后，道路上路人稀少，即使在北京、上海及廣州等繁華的都市，凌晨2、3點(diǎn)之后，道路上也罕見行人和車輛。從這一段時(shí)間開始至清晨6點(diǎn)路燈熄滅，在低交通流量的道路上仍保持較高的照度顯然沒有十分的必要。若能采用調(diào)光技術(shù)，使得LED路燈的輸出功率在午夜12點(diǎn)后隨著交通流量的減少而降低至一半，將節(jié)約用電高達(dá)500億度，相當(dāng)于節(jié)約了2009年三峽電站全年發(fā)電量的大約八分之五（三峽電站2009年發(fā)電798.5億千瓦時(shí)），節(jié)能效果非常顯著。
采用調(diào)光技術(shù)，降低輸出功率，將顯著改善LED燈具的工作環(huán)境，延長燈具壽命，提高可靠性。影響LED燈具可靠性的關(guān)鍵因素是溫度。無論是LED驅(qū)動(dòng)電源還是LED芯片，環(huán)境溫度越高，其壽命和可靠性會急劇下降。圖一為LED驅(qū)動(dòng)電源壽命與溫度關(guān)系，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)LED電源壽命高達(dá)320,000小時(shí)，而當(dāng)溫度上升至60℃時(shí)，LED電源的壽命將縮短至只有35,000小時(shí)。
溫度越高，LED芯片的光衰也明顯加劇。如圖二為Cree公司的LED光源光衰曲線。從圖中可以看出，LED的光衰和它的結(jié)溫有密切的關(guān)系，所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度，結(jié)溫越高，LED光源越早出現(xiàn)光衰，也就是壽命越短。從圖上可以看出，假如結(jié)溫為105℃，亮度降至70%的LED光源壽命只有一萬多小時(shí)；結(jié)溫95℃時(shí)LED光源壽命就有2萬小時(shí)；而結(jié)溫降低到75℃，壽命就可長達(dá)到5萬小時(shí)，65℃時(shí)壽命更可以延長至9萬小時(shí)。綜上所述，延長LED光源壽命的關(guān)鍵就是要降低結(jié)溫。
采用調(diào)光技術(shù)，隨著輸出功率地降低，驅(qū)動(dòng)電源自身損耗也將降低，其殼溫也將同時(shí)下降。如圖三所示200WLED驅(qū)動(dòng)電源輸出功率與外殼殼溫曲線。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃滿載輸出時(shí)，外殼溫度為50℃，而采用調(diào)光技術(shù)控制輸出只有50%功率時(shí)，其外殼溫度下降至40℃，壽命也將翻倍，可靠性可提高25%-40%.
傳統(tǒng)白熾燈或HID由于無法調(diào)光，七十年代日本能源危機(jī)下，曾采用間隔點(diǎn)燈方法試圖節(jié)能。但由于路面照度不均勻，導(dǎo)致路人的視覺出現(xiàn)問題，治安和道路交通事故大幅上升，最后不得不放棄間隔點(diǎn)燈法。調(diào)光技術(shù)的迅速發(fā)展，會將LED照明調(diào)光系統(tǒng)帶入一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，從而將綠色環(huán)保節(jié)能的LED照明應(yīng)用進(jìn)行大范圍的普及與推廣。
二、LED燈具主要調(diào)光技術(shù)簡介
在LED剛開始應(yīng)用于道路等公共照明時(shí)，在推廣初期，有些LED燈廠為了達(dá)到調(diào)光節(jié)能的目的，借鑒了間隔點(diǎn)燈的思路，將一盞LED燈的LED芯片分成兩部分，分別控制其驅(qū)動(dòng)電流的通和斷，在午夜12點(diǎn)前，所有LED全部點(diǎn)亮，12點(diǎn)之后斷開一半，以達(dá)到節(jié)能目的。此種調(diào)光方式能達(dá)到一定的節(jié)能效果，照度的均勻度較傳統(tǒng)間隔點(diǎn)燈方式有明顯改善，但是仍將影響LED燈具的配光曲線。為了進(jìn)一步改善LED燈具的光效和配光曲線，有些LED燈廠又考慮將LED芯片采用間隔方式排布，在調(diào)光時(shí)只看到間隔的亮或者滅，在一定程度上改善了均勻度和配光。
LED芯片的亮度與LED驅(qū)動(dòng)電流成定比例關(guān)系，因此可通過調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn)LED燈的調(diào)光，第二種調(diào)光方式通常被稱為模擬調(diào)光方式或線性調(diào)光方式。該種調(diào)光方式的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流線性增加或減少時(shí)，相對減少了驅(qū)動(dòng)電流過沖中對LED芯片的影響，控制電路抗干擾性較強(qiáng)。其缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流的大小變化，將對LED芯片的色溫有一定影響。此種調(diào)光方式目前典型的應(yīng)用是安徽六潛、六武高速公路LED隧道燈照明。
第三種調(diào)光方式是脈亮調(diào)制（PWM）方式。該種方式是通過一定的控制使驅(qū)動(dòng)電流呈方波狀，其脈沖寬度可變，通過脈沖寬度的調(diào)節(jié)改變LED燈持續(xù)點(diǎn)亮的時(shí)間，也同時(shí)改變了輸出功率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。頻率一般控制在200Hz~10KHz,由于人的眼睛視覺的滯留性，不會感覺到光源在調(diào)光過程中發(fā)生的閃爍。此種調(diào)光方式的優(yōu)點(diǎn)是能改善LED的散熱，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流的過沖對LED芯片的壽命有一定的影響。
以上三種調(diào)光方式都是根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)電流輸出端的控制來分類的。控制電路也可以分為模擬控制和PWM控制，控制電路通常是通過微控制器（如單片機(jī)）來實(shí)現(xiàn)的。
三、調(diào)光系統(tǒng)的組成與未來發(fā)展
完善的智能控制應(yīng)該具有手動(dòng)控制、智能控制、光控、時(shí)控及故障報(bào)警控制功能。當(dāng)太陽下山天色漸暗后能自動(dòng)點(diǎn)亮，午夜12點(diǎn)后燈的照度能自動(dòng)減半；天亮后，燈能自動(dòng)熄滅；特殊情況下，人能夠手工控制；而在燈具發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警。
智能調(diào)光系統(tǒng)主要由服務(wù)器、中央控制器、單片控制器及信號檢測電路四大部分組成，如圖所示。
服務(wù)器：由上位機(jī)和上位機(jī)軟件組成，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控操作和報(bào)警功能。服務(wù)器位于路燈管理等控制中心，其與中央控制器之間的聯(lián)系可采用電力載波、網(wǎng)絡(luò)或無線方式。
中央控制器：負(fù)責(zé)接受服務(wù)器發(fā)來的信號，并解碼后發(fā)送至單元控制器，實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)將信號檢測的結(jié)果傳送至服務(wù)器。
信號檢測電路：檢測環(huán)境亮度、驅(qū)動(dòng)電源電壓、電流。并將檢測所得的信號發(fā)送至單元控制器或者中央控制器。
單元控制器：每一盞LED燈配有一個(gè)單元控制器，通過接收中央控制器的指令，對LED進(jìn)行調(diào)光或者開與關(guān)控制，同時(shí)將LED燈的驅(qū)動(dòng)電壓、電流通過信號檢測電路送到中央控制器。當(dāng)LED燈具出現(xiàn)故障時(shí)將故障信號傳送至中央控制器。
目前在道路照明領(lǐng)域，LED的應(yīng)用正在迅速普及，長壽命和可靠性仍是目前考慮的第一要素，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)壽命和可靠性問題在一定程度上得已解決時(shí)，LED照明應(yīng)用必然朝智能化調(diào)光系統(tǒng)大步邁進(jìn)。
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