劉紅平

摘 要：文章針對(duì)LED老式照明控制節(jié)能效果低下、控制方法簡(jiǎn)單、層級(jí)化低、擴(kuò)展性能不夠等問(wèn)題，通過(guò)探索LED發(fā)光、伏安特性，分析基于恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的LED驅(qū)動(dòng)電源的模塊電路，建立具多路驅(qū)動(dòng)能力的串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動(dòng)電源理論模型，構(gòu)建LED恒流驅(qū)動(dòng)電源原型機(jī)和PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計(jì)算模型，擬開發(fā)出LED多模式層級(jí)化照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種照明模式控制。

關(guān)鍵詞：LED;模塊電路;驅(qū)動(dòng)電源理論模型;定量計(jì)算模型

0? ? 引言

LED電源驅(qū)動(dòng)研究與老式照明燈不同，LED是低壓直流驅(qū)動(dòng)，單個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電壓較低，實(shí)際使用中采用多個(gè)LED串聯(lián)或者組成陣列工作，每個(gè)LED陣列需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的變換電路才能接入220 V的交流電網(wǎng)，并且不同用途的LED，需要配備不同的工作電壓。LED驅(qū)動(dòng)電源需要解決的技術(shù)難題：驅(qū)動(dòng)電路整體壽命不長(zhǎng)，大多采用容量較大的電解電容，高溫狀態(tài)下電源壽命低;轉(zhuǎn)換效率不高，損耗的能量被轉(zhuǎn)化為熱量耗散，LED長(zhǎng)期高溫工作下器件性能變化，產(chǎn)生光衰，導(dǎo)致LED節(jié)能效果不佳;控制簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的LED調(diào)光技術(shù)不太成熟。

LED電源的品質(zhì)制約了LED產(chǎn)品的可靠性，生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)芯片的國(guó)外企業(yè)只致力研發(fā)控制簡(jiǎn)單、特性好的芯片，僅滿足提高恒流穩(wěn)定性和調(diào)光簡(jiǎn)便性;驅(qū)動(dòng)電源生產(chǎn)商僅致力研發(fā)轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)電解電容的驅(qū)動(dòng)電源;燈具生產(chǎn)商僅致力使用散熱性能較好的材料。以上成品只應(yīng)用在小功率級(jí)別，長(zhǎng)期效益不夠顯著[1]。

1 LED智能控制的創(chuàng)設(shè)與發(fā)展

LED光源以高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)逐漸走入人們的視野，近年來(lái)成為道路照明的最佳選擇。我國(guó)現(xiàn)有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但多采用普通LED陣列作發(fā)光體，所需LED數(shù)量多、光衰強(qiáng)，安裝維護(hù)成本高。在LED路燈應(yīng)用示范過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因其驅(qū)動(dòng)電源問(wèn)題經(jīng)常導(dǎo)致亮度不均勻、光衰、整體壽命不高等問(wèn)題，其應(yīng)用效果沒(méi)有達(dá)到人們的預(yù)期。延長(zhǎng)LED的使用壽命和發(fā)揮出其在照明、節(jié)約能源方面的優(yōu)勢(shì)，必然需要與LED負(fù)載相匹配的驅(qū)動(dòng)方式和調(diào)光系統(tǒng)。特別對(duì)于隧道、橋梁等特殊路段，LED路燈運(yùn)行的環(huán)境差別較大，其照明系統(tǒng)不僅要考慮安裝、節(jié)能等問(wèn)題，還要考慮安全事故的問(wèn)題和方便進(jìn)行設(shè)備故障維護(hù)等需求。LED照明的光衰、散熱問(wèn)題，特別是LED驅(qū)動(dòng)電源的滯后研究，深深制約LED節(jié)能效果的發(fā)揮[2]。

老式的LED照明控制系統(tǒng)主要為手動(dòng)控制和時(shí)間控制，它過(guò)多依賴控制者，控制相對(duì)分散，實(shí)時(shí)性和智能化較低。光源大部分時(shí)間為工作狀態(tài)，甚至無(wú)人時(shí)開啟;控制僅能實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，過(guò)溫保護(hù)不夠突出。老式的LED照明控制系統(tǒng)浪費(fèi)大量人力、物力，管理上相對(duì)混亂[3]。

智能照明控制系統(tǒng)是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合通信、自動(dòng)化等相關(guān)學(xué)科，對(duì)LED照明進(jìn)行自動(dòng)控制，在提供合適光環(huán)境的同時(shí)，降低對(duì)電能的消耗以及成本費(fèi)用或安裝費(fèi)用[4]。

2 LED智能控制的整體分析

（1）本文主要分析LED照明控制在應(yīng)用中存在的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)LED多模式層級(jí)化智能照明控制需求進(jìn)行分析，針對(duì)LED特性，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子技術(shù)等，設(shè)計(jì)LED智能照明控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)及主要功能，研制LED多模式層級(jí)化智能照明控制系統(tǒng)。監(jiān)控中心能夠?qū)ED燈實(shí)現(xiàn)多種照明模式的遠(yuǎn)程控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED燈工作狀態(tài)、環(huán)境照度;實(shí)時(shí)控制LED的亮度;出現(xiàn)異常，能通知用戶及時(shí)維修。整個(gè)控制系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)節(jié)能效率低下、控制方法單一、智能化低、可靠性低、擴(kuò)展性差等問(wèn)題[5]。

（2）LED照明調(diào)光方式有：線性調(diào)光、PWM調(diào)光、可控硅調(diào)光。線性調(diào)光通過(guò)線性調(diào)節(jié)采樣電壓值，改變LED的電流值，此方式穩(wěn)定性不好，抗干擾能力不強(qiáng)，頻繁閃爍;PWM調(diào)光通過(guò)調(diào)節(jié)改變 PWM輸入脈沖信號(hào)的占空比來(lái)改變LED電流，它解決了線性調(diào)光的顏色不穩(wěn)定性，卻需要 PWM信號(hào)源;可控硅調(diào)光根據(jù)控制信號(hào)來(lái)改變LED電流，但存在誤導(dǎo)通、操作不穩(wěn)等問(wèn)題。調(diào)光與發(fā)光顏色、光輸出、發(fā)光效率密切相關(guān)，同時(shí)LED驅(qū)動(dòng)電源、架構(gòu)方式和已有的基礎(chǔ)設(shè)施等因素對(duì)LED調(diào)光控制性能有很大的影響。調(diào)光方式的選擇必須綜合考慮[6]。

LED照明控制通信方式有：現(xiàn)場(chǎng)總線通信、電力載波通信和無(wú)線通信等。現(xiàn)場(chǎng)總線通信安裝方法簡(jiǎn)單，但布線麻煩，維護(hù)成本高且受環(huán)境約束，可擴(kuò)展性較差，數(shù)據(jù)信號(hào)不便于遠(yuǎn)距離傳輸;電力載波通信不需搭設(shè)通信線路，運(yùn)行成本低，但抗干擾能力差，可靠性不穩(wěn);無(wú)線通信無(wú)須架設(shè)通信線路，抗干擾性強(qiáng)，可靠性很高，應(yīng)用廣泛，主要用于無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸，但應(yīng)用到獨(dú)立LED燈調(diào)光的成本高，不能檢測(cè)和報(bào)告故障。針對(duì)LED照明控制系統(tǒng)，電力載波和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是適合的通信方式，電力載波通信便宜，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)，具體方式的選擇需要依據(jù)要求和成本才能確定[7]。

（3）隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)智能照明的需求不斷提高，不僅要提供適宜的環(huán)境亮度外，還需要提供優(yōu)雅舒適的氛圍。用戶要求控制方式靈活方便，可按需配置;施工方要求系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便;設(shè)計(jì)方要求系統(tǒng)能提供滿足用戶多樣性要求。以此，傳統(tǒng)的機(jī)械控制進(jìn)化成目前的結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)。以LED作為光源，將其調(diào)光特性與電子技術(shù)、傳感技術(shù)及通信技術(shù)相結(jié)合，脫離單一開關(guān)控制的管理系統(tǒng)，邁進(jìn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化，滿足控制系統(tǒng)功能豐富、控制靈活、管理維護(hù)方便科學(xué)，真正做到按需照明、實(shí)現(xiàn)最大化的節(jié)能，是LED智能照明控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

3 LED智能控制的實(shí)施策略

3.1 研究方法

（1）理論推導(dǎo)：利用LED發(fā)光原理、電磁學(xué)原理、電力電子技術(shù)等理論，推導(dǎo)出具有多路驅(qū)動(dòng)能力的無(wú)電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動(dòng)電源;通過(guò)分析PWM調(diào)光技術(shù)下的幾何、光度、色度與電力約束條件，建立PWM調(diào)光的期望光度量、色度量與電流占空比之間的定量計(jì)算模型。

（2）計(jì)算機(jī)仿真：在理論推導(dǎo)、分析的基礎(chǔ)上建立驅(qū)動(dòng)電源模型和PWM調(diào)光計(jì)算模型，利用Cadence，Saber軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，確定驅(qū)動(dòng)電源的各種量化指標(biāo)，針對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊紋波、穩(wěn)定性和效率問(wèn)題，調(diào)整部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修改;仿真PWM恒流調(diào)光電路，高低壓分別模擬設(shè)計(jì)，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

（3）實(shí)驗(yàn)研究：利用計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行LED驅(qū)動(dòng)電源、調(diào)光模塊和智能控制系統(tǒng)主站實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定理論分析外的其他干擾因素，確定最優(yōu)解。

3.2 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）LED驅(qū)動(dòng)電源必須具備功率因數(shù)校正和恒流驅(qū)動(dòng)兩大功能。無(wú)論是有源或無(wú)源功率因數(shù)校正，一般采用大容量電解電容輸入輸出瞬時(shí)功率之間的差值，但在額定工作條件下電解電容的壽命僅有幾千小時(shí)，這與LED的理論壽命（10萬(wàn)小時(shí)）不匹配。根據(jù)LED的簡(jiǎn)化等效模型，本文提出一種具有多路驅(qū)動(dòng)能力的無(wú)電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動(dòng)電源。

（2）LED常用的調(diào)光方法有線性調(diào)光和PWM調(diào)光。線性調(diào)光為線性調(diào)節(jié)LED電流，PWM調(diào)光是通過(guò)使用開關(guān)電路改變光輸出的平均值，使光度量相應(yīng)地線性改變而色度量保持恒定。本文釆用一種滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM調(diào)光技術(shù)，在調(diào)光頻率內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流，分低壓和高壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）沖突LED控制采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法進(jìn)行傳輸。單向信息傳輸?shù)托?，不能進(jìn)行大批量的信息傳輸控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)分級(jí)分層次LED智能照明控制系統(tǒng)通信鏈路，以滿足系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、及時(shí)的通信技術(shù)需要[8]。

4 LED智能控制的特色與創(chuàng)新;

（1）針對(duì)LED照明技術(shù)上存在的各類技術(shù)難題，提出應(yīng)用LED多種模式、分層分級(jí)控制，將LED電源技術(shù)、調(diào)光技術(shù)、通信方式、管理平臺(tái)集合到一起，通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)來(lái)解決各環(huán)節(jié)上的問(wèn)題。

（2）針對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)電路壽命不長(zhǎng)、多采用容量較大的電解電容、轉(zhuǎn)換效率不高、器件老化、光衰等技術(shù)難題，本文提出采用具有多路驅(qū)動(dòng)能力的無(wú)電解電容串聯(lián)諧振恒流LED驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)電源的安全可靠運(yùn)行。

（3）針對(duì)LED調(diào)光技術(shù)中存在的顏色穩(wěn)定性不好、抗干擾能力較差、操作不穩(wěn)定、閃爍不定等問(wèn)題，釆用滑膜變結(jié)構(gòu)的PWM調(diào)光技術(shù)，可在極寬的調(diào)光頻率內(nèi)對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)具有魯棒性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬騰，李淵，李寶營(yíng)，等.LED 路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017（1）：75-79.

[2]張群.獨(dú)立光伏發(fā)電智能 LED 道路照明系統(tǒng)的研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2018.

[3]譚文兵，蘇華.LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2019（24）：212-215.

[4]趙青青.智能照明控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用綜述[J].照明工程學(xué)報(bào)，2019（4）：112-116.

[5]張利.辦公室室內(nèi)數(shù)字智能化 LED 照明光環(huán)境研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[6]高穎，楊建波，王榮.基于 Lon Works 的 LED 節(jié)能照明控制策略的研究[J].電氣傳動(dòng)，2017（4）：52-55.

[7]吳春澤，林燕丹，孫耀杰.基于視覺與信息反演的室內(nèi) LED 照明技術(shù)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2018（2）：231-234.

[8]黃天宏.LED照明技術(shù)的研究和設(shè)計(jì)實(shí)例[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2020.

（編輯 王永超）