電子技術(shù)在LED照明中通用照明和智能控制的應用 2011-05-19 22:42:20來源:EDN
與傳統(tǒng)的照明方式相比，led照明有許多獨特的地方，主要表現(xiàn)在：從結(jié)構(gòu)上看，傳統(tǒng)照明的光源和燈具是分離的，而LED照明在結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)配光、散熱及燈具的一體化設計；從功能上看，只有少部分的傳統(tǒng)照明可以實現(xiàn)調(diào)光，而LED照明不僅能實現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)，還能實現(xiàn)色彩與色溫的調(diào)節(jié)。此外，LED照明比傳統(tǒng)照明方式更適合智能化與數(shù)字化的控制，組成復雜的照明系統(tǒng)。

　　基于LED照明的這些特性，大體可以給出了三種模型，分別針對LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明與太陽能風能的結(jié)合設計，說明電子信息技術(shù)在LED照明中一些應用。

　　模型一：電源+光源

　　現(xiàn)代電光源的工作本質(zhì)就是將電能轉(zhuǎn)化為光能，同時伴隨一定的散熱。所以，LED的通用照明模型中就只包括電源和光源兩部分。在這種模型下，只能實現(xiàn)照明的開關(guān)控制，不能實現(xiàn)照明的調(diào)光、通信、反饋等功能。

　　電源具體是指AC-DC恒流型開關(guān)電源。AC-DC是指交流到直流的轉(zhuǎn)換，因為LED實際上是一個半導體二極管，它是在直流電壓下工作的。LED還有一個特性就是其工作電流近似值是工作電壓的指數(shù)函數(shù)，電壓的微小波動就會引起電流的巨大變化，嚴重時會直接燒毀LED,所以要保證LED的安全工作，必須使其工作電流恒定。通常家用電器的電源都是恒壓的，LED的特性決定了它要采用恒流電源。為了提高LED工作的可靠性，我們一般要采用隔離型的開關(guān)電源，實現(xiàn)LED與市電電網(wǎng)的有效隔離。和開關(guān)電源相對應的，還有一類叫線性電源，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用了，因為開關(guān)電源在效率和體積上更占優(yōu)勢?，F(xiàn)在的開關(guān)電源技術(shù)，能將轉(zhuǎn)換效率做到85%甚至更高，功率因數(shù)0.95以上，總諧波在15%以內(nèi)。這些指標也是我們選擇開關(guān)電源的基本要求。

　　光源就是LED芯片，這是LED照明的核心元件。除了工作電流、管壓降等電學參數(shù)外，我們更關(guān)心的是它的光學指標，如光通量、光效、色溫、顯色指數(shù)、光衰等等。LED的光學性能與其溫度密切相關(guān)，溫度的升高會引起光效降低、色溫漂移、壽命下降等問題，因此散熱技術(shù)在LED照明中尤為重要。熱力學知識告訴我們，物體的散熱只有三種方式：傳導、對流和輻射。由于LED芯片只是固定的發(fā)出某種波長的可見光，所以不存在紅外輻射散熱。在LED中，主要是傳導散熱，同時伴隨一定的對流散熱。減少LED的熱傳導環(huán)節(jié)和降低每個環(huán)節(jié)的熱阻，必要時采用強制風冷，都是散熱設計中的考慮因素。

　　模型二：電源+控制+光源

　　模型二比模型一多了一個控制模塊，這就大大豐富了LED照明的功能。如果說模型一只是一個照明產(chǎn)品，那么模型二可以說是一個照明系統(tǒng)了。由于加入了控制模塊，電源就變成恒壓型開關(guān)電源了，但是LED光源的工作還是需要恒流型電源，這部分（恒流驅(qū)動）我們放在控制模塊中一起實現(xiàn)了。下面，我們重點分析一下LED照明的控制系統(tǒng)。

　　LED照明的控制系統(tǒng)，可大可小，功能豐富。如：無線遙控調(diào)光系統(tǒng)、色溫可調(diào)照明系統(tǒng)、RGB調(diào)光調(diào)色系統(tǒng)、模擬日光照明系統(tǒng)、帶DALI協(xié)議的智能照明系統(tǒng)、基于ZigBee和GPRS的無線路燈控制系統(tǒng)等。透過現(xiàn)象看本質(zhì)，所有這些照明控制系統(tǒng)，都是利用電子技術(shù)領域中的嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)以及電力電子技術(shù)等發(fā)展建立起來的?？此萍姺睆碗s化，其實有據(jù)可循。

　　為了理清脈絡，我們可以將LED照明控制系統(tǒng)分為8個層次，逐層闡述。如果我們能夠把每個層次的技術(shù)方案做好，那么任何復雜的控制系統(tǒng)我們都可以像“搭積木”一樣，輕松的實現(xiàn)。

　　LED照明控制系統(tǒng)的8個層次由底向上依次為：供電層、驅(qū)動層、光層、感器層、議層、信層、作層、統(tǒng)實現(xiàn)層。

　　供電層

　　供電層為整個控制系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的直流電源。與LED光源工作需要的恒流電源不同，控制系統(tǒng)的工作需要的是恒壓電源。供電層的電源獲得有兩個途徑：一是從LED照明燈具上的恒壓電源上獲取，這是一個DC-DC（直流到直流）轉(zhuǎn)換，因為燈具上的恒壓電源的電壓通常很高，而控制系統(tǒng)的電壓很低，所以要做一個從直流到直流的降壓轉(zhuǎn)換；二是從交流市電獲取，這是一個AC-DC（交流到直流）轉(zhuǎn)換，為了安全，通常也要做成隔離型的開關(guān)電源，因為控制系統(tǒng)的功耗通常很低，所以這里的恒壓電源對轉(zhuǎn)換效率的要求就不是很高。

　　驅(qū)動層

　　前面提到，模型二中電源部分是恒壓源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在控制系統(tǒng)中要有一個恒流驅(qū)動模塊，為LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驅(qū)動的設計上，一般是采用專用的驅(qū)動芯片，并配合一定的外圍電路。

　　驅(qū)動芯片的輸出端通常是帶有一串LED,輸出的恒定電流就是LED的工作電流。輸出的電壓范圍越高，可帶的LED數(shù)量就越多。也有例外的情況，輸出端要并聯(lián)多串LED,這時，我們要給每串LED串聯(lián)一個小電阻來實現(xiàn)電流的分流。驅(qū)動芯片一般還有一個PWM（脈沖寬度調(diào)制）的端口，用于實現(xiàn)調(diào)光控制，這是實現(xiàn)智能照明的基礎。恒流驅(qū)動方案的優(yōu)劣，直接關(guān)系到LED照明的可靠性和使用壽命。因此，對LED驅(qū)動技術(shù)的研究，尤為重要。