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大功率LED照明調光技術發(fā)展與前景分析
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http://china-zesir.com 發(fā)稿日期:2010-10-14
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隨著全球工業(yè)的發(fā)展，在工業(yè)化過程中二氧化碳排放的大量增加，全球氣候惡化，各地洪澇旱災、冰雹雪災時有創(chuàng)紀錄之勢，嚴重威脅著人類的生存。為共同應對威脅，2009年12月,各國首腦聚集哥本哈根，商討節(jié)能減排大計，各地積極制定和推行低碳計劃。作為綠色、環(huán)保節(jié)能的LED照明，越來越受各國青睞，中國的“十城萬盞”，美國洛杉磯的“十四萬盞計劃”正如火如荼推行。而調光技術在LED照明中的成功應用將進一步提高節(jié)能減排的效果。
2010-2015年中國鋰離子電池材料產(chǎn)業(yè)鏈深度調研及 【出版日期】 2010年10月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數(shù)量】 150個 【2010-2015年中國聚丙烯風機行業(yè)市場分析與投資發(fā) 【出版日期】 2010年10月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數(shù)量】 150個 【2010-2015年中國避雷器產(chǎn)業(yè)深度調研及未來發(fā)展現(xiàn) 【出版日期】 2010年10月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數(shù)量】 150個2010-2012年中國充電電池市場十大品牌競爭力分析 【出版日期】 2010年10月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數(shù)量】 150個一、 調光的必要性
電能作為一種綠色能源，在各國能源應用領域中占越來越大的比重。據(jù)中國工程院院士陳良惠調查得出結論，估計在2010年，全國的用電量將達 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。
調光技術的應用將進一步降低耗能，節(jié)省照明用電。目前，公共照明用電占整個照明領域三分之一，高達1000億度。在國內，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點后、大中城市在午夜12點后，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點之后，道路上也罕見行人和車輛。從這一段時間開始至清晨6點路燈熄滅，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。若能采用調光技術，使得 LED路燈的輸出功率在午夜12點后隨著交通流量的減少而降低至一半，將節(jié)約用電高達500億度，相當于節(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)，節(jié)能效果非常顯著。
采用調光技術，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燈具可靠性的關鍵因素是溫度。無論是 LED驅動電源還是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驅動電源壽命與溫度關系，當環(huán)境溫度為25℃時LED電源壽命高達 320,000小時，而當溫度上升至60℃時，LED電源的壽命將縮短至只有35，000小時。
圖一 LED驅動電源壽命與溫度曲線
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的光衰和它的結溫有密切的關系，所謂結溫就是半導體PN結的溫度，結溫越高，LED光源越早出現(xiàn)光衰，也就是壽命越短。從圖上可以看出，假如結溫為105℃，亮度降至70%的LED光源壽命只有一萬多小時;結溫95℃時LED光源壽命就有2萬小時;而結溫降低到75℃，壽命就可長達到5萬小時，65℃時壽命更可以延長至9萬小時。綜上所述，延長LED光源壽命的關鍵就是要降低結溫。
圖二Cree公司的LED的光衰曲線
采用調光技術，隨著輸出功率地降低，驅動電源自身損耗也將降低，其殼溫也將同時下降。如圖三所示200W LED驅動電源輸出功率與外殼殼溫曲線。當環(huán)境溫度為25℃滿載輸出時，外殼溫度為50℃，而采用調光技術控制輸出只有50%功率時，其外殼溫度下降至 40℃，壽命也將翻倍，可靠性可提高25%-40%。
圖三 LED驅動電源輸出功率與外殼殼溫曲線
傳統(tǒng)白熾燈或HID由于無法調光，七十年代日本能源危機下，曾采用間隔點燈方法試圖節(jié)能。但由于路面照度不均勻，導致路人的視覺出現(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燈法。調光技術的迅速發(fā)展，會將LED照明調光系統(tǒng)帶入一個嶄新的領域，從而將綠色環(huán)保節(jié)能的LED照明應用進行大范圍的普及與推廣
二、 LED燈具主要調光技術簡介
在LED剛開始應用于道路等公共照明時，在推廣初期，有些LED燈廠為了達到調光節(jié)能的目的，借鑒了間隔點燈的思路，將一盞LED燈的LED芯片分成兩部分，分別控制其驅動電流的通和斷，在午夜12點前，所有LED全部點亮，12點之后斷開一半，以達到節(jié)能目的。此種調光方式能達到一定的節(jié)能效果，照度的均勻度較傳統(tǒng)間隔點燈方式有明顯改善，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，在調光時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驅動電流成定比例關系，因此可通過調節(jié)LED驅動電流來實現(xiàn)LED燈的調光，第二種調光方式通常被稱為模擬調光方式或線性調光方式。該種調光方式的優(yōu)點是：當驅動電流線性增加或減少時，相對減少了驅動電流過沖中對LED芯片的影響，控制電路抗干擾性較強。其缺點是驅動電流的大小變化，將對LED芯片的色溫有一定影響。此種調光方式目前典型的應用是安徽六潛、六武高速公路LED隧道燈照明。
第三種調光方式是脈亮調制(PWM)方式。該種方式是通過一定的控制使驅動電流呈方波狀，其脈沖寬度可變，通過脈沖寬度的調節(jié)改變LED燈持續(xù)點亮的時間，也同時改變了輸出功率，從而達到節(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光過程中發(fā)生的閃爍。此種調光方式的優(yōu)點是能改善LED的散熱，缺點是驅動電流的過沖對LED芯片的壽命有一定的影響。
以上三種調光方式都是根據(jù)LED驅動電流輸出端的控制來分類的�？刂齐娐芬部梢苑譃槟M控制和PWM控制，控制電路通常是通過微控制器(如單片機)來實現(xiàn)的。
三、 調光系統(tǒng)的組成與未來發(fā)展
完善的智能控制應該具有手動控制、智能控制、光控、時控及故障報警控制功能。當太陽下山天色漸暗后能自動點亮，午夜12點后燈的照度能自動減半;天亮后，燈能自動熄滅;特殊情況下，人能夠手工控制;而在燈具發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)能自動報警。
服務器：由上位機和上位機軟件組成，主要實現(xiàn)監(jiān)控操作和報警功能。服務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)絡或無線方式。
中央控制器：負責接受服務器發(fā)來的信號，并解碼后發(fā)送至單元控制器，實現(xiàn)控制，同時將信號檢測的結果傳送至服務器。
信號檢測電路：檢測環(huán)境亮度、驅動電源電壓、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燈配有一個單元控制器，通過接收中央控制器的指令，對LED進行調光或者開與關控制，同時將LED燈的驅動電壓、電流通過信號檢測電路送到中央控制器。當LED燈具出現(xiàn)故障時將故障信號傳送至中央控制器。
目前在道路照明領域，LED的應用正在迅速普及，長壽命和可靠性仍是目前考慮的第一要素，但隨著技術的發(fā)展，當壽命和可靠性問題在一定程度上得已解決時，LED照明應用必然朝智能化調光系統(tǒng)大步邁進。
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