LED路燈的技術要點分析
上傳人:吳昊,王鋼 上傳時間: 2009-12-01 瀏覽次數: 282 |
目前主流的LED路燈采用交流電供電,交流電LED路燈存在一個共性問題,就是難以保證驅動電源壽命與LED的壽命相匹配。因為交流電必須經過開關電源的整流濾波才能變成直流電,而開關電源中必須采用電解電容來濾波。一般的電解電容壽命只有8000小時,遠遠小于LED的理論壽命50000小時。而且環境溫度每升高10℃,電解電容的壽命就降低一半,使得整個LED路燈系統的壽命必然會受到電解電容的拖累。因此,制約LED路燈壽命的一個重要因素就是驅動電源的可靠性設計。LED路燈在室外環境下保證電源的可靠工作,一般需要從高效率、高功率 、長壽命、過壓過流、隔離、浪涌、過溫、防護方面、符合安規和電磁兼容的要求等幾方面進行考慮。
對于大功率LED路燈,無論其光源部分采用單顆1 W大功率白光LED陣列方式或大功率集成封裝光源模組方式,其主流的電源驅動方式是采取恒流驅動。一般通行的電路結構又由一個恒壓源提供若干個恒流源,每個恒流源單獨驅動一路串聯的LED和市電直接轉為恒流,LED以串并聯組合的方式運行兩種。
對于采用單顆1 W大功率白光LED陣列的這種方式,恒壓源為傳統的開關電源架構相對成熟;而相配的恒流源部分為直流降壓型,效率能達到95%以上,另外所占的電路空間較小,既可以與恒壓源部分組合在一塊,也可以與LED集成在一起,具有較大的靈活性。每一路LED電流可獨立控制,保證燈具整體發光一致,但是成本會稍高一點。
對于大功率集成封裝光源模組方式,又分為隔離型和非隔離型兩類,前者成本以及效率方面有優勢,但由于是非隔離的,供電不穩,尤其是晚上電壓較高或雷雨時產生的浪涌,容易造成LED光源連同電源一起損壞。而后者雖然效率較低,電路復雜度較高,但可靠性得到保證。無論是隔離型還是非隔離型的交流-直流恒流源,由于路燈上的LED數目由幾十到上百個,所以后端LED要考慮串聯和并聯相結合,于是不可避免地使得并聯各路電流不一致。目前,這兩種方式的電源并存。多路恒流輸出的方式,在性能以及可靠性方面較好,將會是以后LED路燈電源驅動主流發展方向。
挖掘電池潛力 延長太陽能路燈壽命
隨著太陽能這一新能源的發展,各地的太陽能LED路燈也逐漸興起,太陽能電池的低壓直流、長壽命的特點正好與LED相匹配。但是太陽能LED路燈系統中依然存在壽命瓶頸,就是鉛酸蓄電池。一般的鉛酸蓄電池的壽命為500個充電循環,大概在2年左右,約5000小時。中山大學半導體照明系統研究中心開發的智能充放電智能控制器,可以使得鉛酸蓄電池的壽命達到1500次循環。
傳統的太陽能路燈充電系統中,通常經過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連,將導致太陽能板的工作點偏移最大功率點(Maxim Power Point,簡稱MPP)而未有效利用太陽能板的可輸出功率,同時容易使蓄電池因供能不足而長期處于欠充滿狀態,造成壽命縮減。中山大學半導體照明系統研究中心開發的太陽能LED路燈系統利用太陽追蹤(Sun Tracking)和最大功率追蹤(MPP Tracking,即MPPT)技術,可使太陽電池的輸出穩定在MPP附近,從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。
智能調光系統靈活調整光輸出 降低能耗
傳統高壓鈉路燈,只能實現小范圍的調光控制,比如關閉一側或間隔關閉路燈,不可避免地帶來照明形態的改變,容易造成安全隱患。LED路燈則可實現0-100%連續調光,可根據環境光照及交通狀況靈活調整光輸出,在保證照明質量的同時降低不必要的功耗。中山大學半導體照明系統研究中心開發的LED路燈的智能調光系統能方便地控制LED的工作狀態,并通過改變驅動電流來控制其亮度。比如在進入下半夜后,通過降低整燈電流或關閉燈具內部分LED發光組件來達到低功率運行,達到節能的效果。
中山大學半導體照明系統研究中心還把Zigbee無線通訊控制技術應用在LED路燈系統上。Zigbee無線控制系統的出發點是希望能發展一種容易布建的低成本無線網絡,具有協議棧簡單緊湊、省電、可靠、時延短、網絡容量大等特點(圖3)。Zigbee收發模塊集成在每一個LED路燈上,并通過接力的方式,把所有的信息匯集在終端上,從而實現在終端對每個LED路燈的運行情況進行有效的監控,發揮系統控制、故障排除和防盜的功能。
散熱
優化散熱和熱管理控制系統
LED在正向電壓下,電子在電場的驅動下克服p-n結的電場,由n區躍遷到p區并與p區的空穴發生復合。由于躍遷到p區的自由電子具有高于p區價電子的能量,復合時電子回到低能量態,多余的能量以光子的形式釋放,輻射出來的光還需經過芯片本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界。
綜合考慮電流注入效率、輻射發光量子效率、芯片外部光萃取效率等因素,對于100 lm/W的LED只有約30%的電能轉化為光能,其余的能量則轉化為熱能,使LED芯片溫度升高。對于LED芯片,如果熱量不能有效散出,會導致芯片的溫度升高,引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉效率下降。
隨著p-n結的溫升,LED芯片的發射波長將發生紅移,導致YAG熒光粉激發效率下降,總的發光強度降低,白光色度漂移。當溫度超過一定值時,器件的失效率將呈指數規律攀升。器件溫度每上升2℃,可靠性將下降10%。為了保證器件的壽命,一般要求p-n結的結溫在90 ℃以下。當多個LED密集陣列或集成封裝時,系統散熱問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為LED路燈的先決條件。
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