楊天沖，秦大為，張?zhí)K東

(1.福州市政工程管理處，福州 350000;2.鹽城師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，鹽城224002;3.鹽城師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，鹽城 224002）

0 引言

公路隧道照明的目的在于保證車(chē)輛舒適、安全地穿越隧道，因此公路隧道照明的基本要求是根據(jù)外部環(huán)境，提供與之相適應(yīng)的照明，以滿足人眼的適應(yīng)曲線，公路隧道照明控制的一般原理如圖1所示。

圖1 公路隧道照明控制一般原理框圖

國(guó)際照明委員會(huì)(CIE）將隧道照明定義為接近段、入口段、中間段、出口段四個(gè)照明段，其中隧道入口照明分為閾值段、過(guò)渡段，閾值段是為了消除“黑洞”現(xiàn)象，讓駕駛?cè)藛T能在洞口辨認(rèn)障礙物(標(biāo)準(zhǔn)高20 cm）。為了避免閾值段照明與隧道內(nèi)照明之間的強(qiáng)烈變化，設(shè)置過(guò)渡段照明，將隧道內(nèi)照明水平逐漸下降，以達(dá)到隧道內(nèi)基本照明亮度隧道照明的亮度遞減曲線如圖2所示。

公路隧道照明調(diào)光控制是滿足不同亮度環(huán)境、交通環(huán)境下的照明要求，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各區(qū)段照明亮度平滑過(guò)渡，從而達(dá)到既滿足隧道的照明亮度要求，保證行車(chē)安全，又節(jié)省能源的目的。

圖2 公路隧道照明的亮度遞減曲線示意圖

目前公路隧道內(nèi)使用的燈具主要有:熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈等。熒光燈可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光，但其光效較低，調(diào)光時(shí)易產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成干擾;高壓鈉燈、金鹵燈調(diào)光幅度很小，一般不在無(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)中應(yīng)用;隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED燈開(kāi)始進(jìn)入公路隧道照明領(lǐng)域，一種采用LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制的隧道照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)，使得公路隧道照明質(zhì)量與節(jié)能又向前邁進(jìn)了一大步。本文針對(duì)LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)中應(yīng)考慮的問(wèn)題及解決方案作初步研究。

1 LED燈調(diào)光控制模式

目前，LED燈調(diào)光控制模式主要有以下三種調(diào)光控制模式。

無(wú)極調(diào)節(jié)方式:通過(guò)控制LED燈電源的輸出電流，調(diào)節(jié)LED燈的亮度，可實(shí)現(xiàn)256級(jí)亮度調(diào)節(jié)。

燈管陣列控制:通過(guò)關(guān)閉或點(diǎn)亮LED燈具中某一列或多列燈管調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)與燈具中控制陣列數(shù)相關(guān)。

燈群組控制:通過(guò)燈具地址編碼，可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或點(diǎn)亮奇數(shù)燈具，關(guān)閉或點(diǎn)亮偶數(shù)燈具，關(guān)閉或者點(diǎn)亮所有燈具，實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

燈管陣列控制和燈群組控制，其控制原理決定了其亮度調(diào)節(jié)分級(jí)受到一定數(shù)量限制，可應(yīng)用于對(duì)亮度調(diào)節(jié)分級(jí)不多的LED照明控制工程中。無(wú)極調(diào)節(jié)方式可實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)光，調(diào)光級(jí)數(shù)多、范圍大，可應(yīng)用于對(duì)亮度調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)要求較多的LED照明控制工程中。燈管陣列控制、燈群組控制由于分級(jí)層數(shù)較少，不易實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)照明的平滑過(guò)渡，不能有效遏止隧道照明的電能浪費(fèi)。因此，本文主要介紹無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方式。

2 LED燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式

2.1 電壓控制電流源(VCCS）亮度控制方式(模擬信號(hào)控制電流平均值模式）

模擬信號(hào)控制電流平均值模式就是利用直流信號(hào)電壓來(lái)控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控電源(如圖3所示）。它直接將電流信號(hào)取樣后經(jīng)隔離放大控制電源初級(jí)開(kāi)關(guān)管的占空系數(shù)，隔離變壓器將不同占空系數(shù)的電能隔離后轉(zhuǎn)換為直流脈沖電流，經(jīng)低通濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為大小隨控制信號(hào)變化的直流電流，從而控制電源的輸出電流。該電源的損耗主要包括初級(jí)損耗、變壓器損耗和次級(jí)整流、濾波損耗，電源效率相對(duì)較高，加入PFC(Power Factor-Correction）后一般效率在85%左右。目前這種亮度控制方式已在部分公路隧道LED燈照明無(wú)級(jí)調(diào)光控制中得以應(yīng)用。

圖3 一次性恒流的可控恒流源原理圖

2.2 脈沖寬度調(diào)制(PWM）亮度控制方式(PWM模式）

PWM模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過(guò)限流電阻或電感限流后，再通過(guò)PWM方式控制晶體管在單位周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制流過(guò)LED的電流，從而達(dá)到控制LED亮度的目的。該電源的損耗主要包括初級(jí)損耗、變壓器損耗、次級(jí)整流、濾波損耗、限流電阻或電感和續(xù)流二極管損耗和工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管損耗。與前一種相比，電源效率較低，加入PFC后一般效率在75%左右。

在PWM模式調(diào)光中，LED正向電流以減少的占空比在0%至100%間轉(zhuǎn)換，以進(jìn)行亮度控制。然而，PWM模式調(diào)光信號(hào)的頻率一般應(yīng)大于1 kHz，以免出現(xiàn)閃爍或抖動(dòng)。為盡可能降低閃爍或抖動(dòng)，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求達(dá)到幾萬(wàn)赫茲。但更高的調(diào)光頻率將大幅縮小驅(qū)動(dòng)的調(diào)光范圍，進(jìn)而降低系統(tǒng)的最大亮度。高頻PWM模式調(diào)光主要有固定頻率、時(shí)間延遲磁滯控制和固定導(dǎo)通時(shí)間的降壓式LED調(diào)光方式，根據(jù)大量制造商對(duì)三種不同配置的性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用帶磁滯降壓LED驅(qū)動(dòng)器的并行調(diào)光方案在高調(diào)光頻率具有很寬的調(diào)光范圍。固定導(dǎo)通時(shí)間LED驅(qū)動(dòng)器是固定頻率操作和磁滯控制之間的一個(gè)較好的平衡，采用這種驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行并行調(diào)光也可以在高調(diào)光頻率下獲得大的調(diào)光范圍。

2.3 采用電阻和晶體管限流亮度控制方式(限流模式）

采用限流模式的LED亮度控制方式是利用直流穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過(guò)限流電阻限流后，再通過(guò)工作于放大區(qū)的晶體管來(lái)控制流過(guò)LED的電流，從而達(dá)到控制LED亮度的目的。該電源的損耗主要包括初級(jí)損耗、變壓器損耗、次級(jí)整流、濾波損耗、限流電阻損耗和工作于放大區(qū)的晶體管損耗;與前兩種相比，電源效率最低，加入PFC后一般效率在70%以下。這一亮度控制方式電源能耗損失較大，多用于對(duì)能耗要求不高的燈飾亮化場(chǎng)所，且更多地用于小功率LED的亮度控制。

3 控制信號(hào)傳輸方式

3.1 采用DC 0～5 V模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸

這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是控制線路簡(jiǎn)單，控制信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn);為了確保DC 0～5 V的模擬電壓控制信號(hào)有足夠的傳輸距離，LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)將LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)成電壓控制電流源形式，控制輸入端為高輸入阻抗，以確?？刂菩盘?hào)的長(zhǎng)距離傳輸。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，控制輸入端的輸入阻抗高達(dá)108 Ω及以上，每盞燈在5 V控制電壓時(shí)的控制電流為5×10－8A，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)電纜首尾壓降可控制在一個(gè)較小值的范圍。以一條隧道需同時(shí)控制5000盞燈為例，若始末端燈具的控制電壓降不得大于0.05 V(偏差≤1%），則系統(tǒng)的控制距離計(jì)算如下:

式中:S為可同步控制燈具亮度的距離，單位為km;N為燈具數(shù)量，按5000盞計(jì)算;Ic為控制輸入端在5 V時(shí)的控制電流，取5×10－8A;R為1.5平方控制線每公里的線阻，為11.694 Ω/km;ΔV為控制線上允許的最大電壓降，取0.05 V。

由此計(jì)算出系統(tǒng)可同步控制的距離為

這表明采用DC 0～5 V的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸去控制LED燈具，可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離道路和隧道照明的控制需求。

3.2 采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸

采用數(shù)字信號(hào)傳輸方式傳輸控制信號(hào)可采用RS－485或DMX512通訊協(xié)議，將控制信號(hào)送至相應(yīng)燈具的電源內(nèi)，再由解碼芯片解碼后轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，去控制LED回路中開(kāi)關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間或限流三極管的基極電流，從而達(dá)到控制LED驅(qū)動(dòng)電流之目的。它們的優(yōu)點(diǎn)是控制方式靈活，可實(shí)現(xiàn)中控室與每盞燈具之間的相互通訊，從而可讓中控室隨時(shí)了解每盞燈具的工作狀態(tài)。目前在燈飾亮化場(chǎng)所，這種信號(hào)傳輸方式已得到廣泛的應(yīng)用，但這種通訊方式的缺點(diǎn)是傳輸距離短，信號(hào)易受干擾，終端接點(diǎn)的數(shù)量有限。如果要求中控室能夠了解每盞燈具的工作狀態(tài)，理論上RS－485最多可控制128盞燈，DMX512最多可控制512盞燈。

RS－485或DMX512通訊協(xié)議理論上的傳輸距離均可達(dá)1200 m，但在實(shí)際使用過(guò)程中，為了確保系統(tǒng)通訊的可靠性，通常不大于250 m;當(dāng)控制線路距離大于250 m時(shí)，需添加中繼器。考慮到通訊的可靠性，在公路隧道內(nèi)中繼器的級(jí)聯(lián)數(shù)量一般不應(yīng)超過(guò)2個(gè)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字通訊方式傳送控制信號(hào)，為保證照明調(diào)光系統(tǒng)可靠，每通道傳輸距離應(yīng)控制在750 m以內(nèi)。

采用微波通訊的方式傳輸控制信號(hào)。由于微波在狹窄的隧道內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)受到隧道壁以及隧道內(nèi)眾多機(jī)電設(shè)備、汽車(chē)的反射，造成接收端真假信號(hào)難以甄別，從而容易導(dǎo)致控制失靈。

電力載波通訊方式傳輸控制信號(hào)。由于通訊回路中負(fù)載眾多且較為集中，燈具中PFC的脈沖信號(hào)會(huì)對(duì)動(dòng)力線造成一定的高頻污染。對(duì)于亮度可控型燈具，在30%以下功率使用時(shí)PFC將失去作用，諧波會(huì)相對(duì)增大，從而嚴(yán)重干擾信號(hào)傳輸，諧波干擾是影響低壓電力載波通訊發(fā)展的重要因素。

3.3 同種規(guī)格燈具的互換性

采用RS－485或DMX512通訊協(xié)議傳輸控制信號(hào)，要求每盞燈具內(nèi)要有相應(yīng)的地址代碼，至少應(yīng)確保隧道加強(qiáng)照明和基本照明的地址不同，以便于分別控制其燈具功率。如果要求各段分別控制，則通常需要5～6種地址代碼，這種為燈具編碼的方式會(huì)使燈具的互換性下降，同時(shí)給燈具的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)一定困難。

采用DC 0～5 V的模擬電壓信號(hào)來(lái)傳輸控制信號(hào)，對(duì)燈具編址等沒(méi)有要求，可對(duì)不同規(guī)格的燈具同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

4 無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式的性能比較

無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式的性能比較主要應(yīng)從調(diào)光范圍、電源效率、信號(hào)傳輸性能三個(gè)方面進(jìn)行考核。

1）調(diào)光范圍:在電源的調(diào)光方面，最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)是調(diào)光范圍和電源效率。上述三種調(diào)光方式在5%～100%的功率范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)。

2）電源效率:在電源效率方面，采用模擬信號(hào)控制電流平均值模式的LED亮度控制方式效率最高，為85%;PWM亮度控制方式、限流模式的LED亮度控制方式，電源效率均較低，一般小于75%。

3）信號(hào)傳輸性能:采用DC 0～5 V的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸，可控制5000盞以上LED燈具，其傳輸信號(hào)有效控制距離可達(dá)17 km。采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，RS－485可控制384盞LED燈，其傳輸信號(hào)有效控制距離為750 m;DMX512可控制1536盞LED燈，其傳輸信號(hào)有效控制距離可達(dá)為750 m。

采用DC 0～5 V的模擬電壓信號(hào)，LED燈具的互換性高;采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，燈具的互換性較差。

5 小結(jié)

采用DC 0～5 V模擬電壓信號(hào)傳輸?shù)哪M信號(hào)控制電流平均值模式的亮度控制方式優(yōu)于采用RS－485或DMX512通訊協(xié)議傳輸?shù)腜WM模式的亮度控制方式和限流模式的亮度控制方式。模擬信號(hào)控制電流平均值模式的亮度控制方式將是未來(lái)大規(guī)模LED燈進(jìn)入隧道照明的理想控制模式。

［1］Guide for the lighting of road tunnelsand underpasses，CIE 16x:2004

［2］《山區(qū)高速公路隧道節(jié)能型照明系統(tǒng)研究與應(yīng)用》研究報(bào)告［R］.重慶交通科研設(shè)計(jì)院，2009

［3］王霞.LED照明亮度智能無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)在城市隧道中的應(yīng)用［J］.交通科技，2009(1）:92～94

［4］周正兵.按需照明——隧道照明的理想形式［J］.中國(guó)交通信息產(chǎn)業(yè)，2009(01）:85～87