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LED路灯专用的小炫目高效LED光引擎
 引言 由于目前LED光源单价昂贵,高光效LED更昂贵,名牌厂家高光效LED格外昂贵,所以设计LED路灯时,尽量提高LED路灯的照度,才不致成本太高,一般都选满功率甚至超功率运行,这样带来三个大问题,一是LED发热温升问题,二是LED光衰问题,三是LED炫目问题。 解决LED发热温升问题是热力学范畴(传导散热、对流散热、辐射散热、相变热管)。 解决LED光衰问题。主要责任源于生产商,其次是应用LED的功率和温度(环境温度加LED温升)勿迫近上限,更勿超限使用。上述均有诸多文献可参考,本文不赘叙。 解决LED炫目问题,尚少见报导,我们研究之中查询及试验了诸多办法,现奉献给读者。 (一)炫目是一个视觉心理学范畴的问题 美标与欧标关于炫目的程度略有不同,是美洲光学专家们与欧洲光学专家们,对不同色温(゜K)及对不同照度(Lx)的视觉评价,略有一些差异,然而大方向是一致的:照明的舒适度,对于低色温范围是较低的照度,而对于高色温范围是较高的照度见图一所示。 人类的视力灵敏度,是一个与环境光对比度成反比的心理变量,在黑暗环境内,人们必定睁大眼睛,力求捕捉微弱的光信息,这是人类极限的最高灵敏度视觉,某些没有受到光源污染损害视力的婴儿,甚至有夜视见物的原始功能(不是后天训练的奇异功能)。 当环境光照度愈高,人眼瞳孔自然缩小,拒绝太多的光线射入眼底感光细胞,所以环境越明亮时,人的视觉灵敏度越低。 有一种人道主义的炫目枪炫目炸弹,就是趁人瞳孔还来不及关闭之瞬间,以炫目强光直射人眼,使人在短时间(数秒或数十秒)内暂时失明;所以说炫目问题对交通安全而言是值得重视的大事。 众所周知,直视中午的太阳令人炫目,甚至会导致视力衰退; 同一个太阳,人们又唱出最美不过夕阳红,温馨又从容……”,因为夕阳时太阳已不是发白的(高色温)火球,而是低色温低照度的红灯笼,在夕阳余晖中,直视太阳不但没有炫目的感觉,反而有温馨从容的舒适美感。 (二)LED路灯够明而不够亮的内因 前几年中国照明界曾经有过不只一次争论:什么灯作为路灯光源最佳? 从全球路灯而言,HID灯(高强度气体放电灯)至今仍占主导地位。 在中国城网和农网改造中,数十瓦以下的节能灯广泛用作城乡的非机动车照明。确实比传统白炽灯照明节电一半以上,性价比十分优秀。 2008年北京奥运会之后,中国政府主推LED路灯照明节能的“XX万盏节能LED路灯工程之中,LED路灯产业一哄而上,难免鱼龙混杂,不能求全责备的。作为拉动内需,并又节能低碳绿色照明而言,LED除了成本太贵之外,另一不可忽略的缺陷是光污染问题,不少司机抱怨说“LED路灯太晃眼了,司机普遍感觉头晕眼花,我们曾经请教过光学前辈蔡祖泉老先生,蔡先生说:这LED发光的光谱比较狭窄,这狭窄的光谱能量比较合近距离小范围照明,有足够的照度,而长距离照明,由于光照过程中,空气分子对狭光谱吸收与漫反射的分量不能忽略,到地面上1.1米处测照度(水平照度),难以达到(HID灯轻易实现)法定20勒克斯以上的照度,可以说LED路灯现存问题之一是够明而不够亮 (三)LED光引擎能解决LED路灯炫目问题 合理选择LED的色温勿太高,有足够高的显色性,合理选择LED功率勿太高,是能够实现LED“夕阳红温馨从容的令人愉悦照明。可惜LED太贵,在成本范围内只能用有限的LED,用足每一颗LED功率,让每一颗LED发最多的光,于是LED炫目问题须用别的办法解决;我们经过筛选及权衡,选用狭光束远光LED射灯,把光投到某局部地面,保证地面上1.1米的照度均匀达标,狭光束投光又尽量缩小炫光区域,对于单向行车路线,顺着汽车前进的方向照明,能够根除炫目,于是,狭光束的LED光引擎,成为广东凯乐斯光电科技有限公司反炫目利器之一,是广东凯乐斯光电科技有限公司自主知识产权之一。 (四)LED光引擎的光电设计 4.1LED光引擎的光学设计: LED光引擎的光学设计,是把两电杆之间面积,分为不等分的小投射面积,该面积到路灯一边的立体角,就是LED光引擎的狭窄投射角,尽可能减少炫目区域,同时,又能保持LED狭窄光谱的光线,尽量减少投光过程中大气的吸收与漫反射损失。 4.2LED光引擎的不隔离式电学设计: 在注意LED光引擎内部绝缘(承受安规闪络绝缘尺寸)耐受高压试验需求的前提下,按美国和日本标准,是允许不隔离式电源用作LED路灯恒流供电的(而中国订单反而强调要隔离式的LED恒流电源),众所周知不隔离式电源的电功效率高于隔离式,从节能的角度出发,呼吁在安规达标的前提下,尽可能推广不隔离拓扑是符合低碳社会共识的。图二是基于BP2802不隔离式LED恒流电源的拓扑图,其工作原理说明如下: (图二)基于BP2802不隔离式LED恒流电源 4.2.1)启动:交流电源~UIN经保险熔丝FDX4桥式全波整流,正负输出端分别串入[f1][f2]网络之后,到正负电源母线,电源母线正端经起动电阻(Rj1+Rj2+Rj3)向电容Cv2//Dz//Cv1充电,得到12伏电压供BP2802工作。启动之后BP2802内部源极开关瞬态过程,由DgCv1//Dz//Cv2补充功耗,所以,BP2802是低功耗高效率开关电源芯片之一。 4.2.2BUCK拓扑:BP2802内置有600V高压MOSFET开关管,⑤⑥并联作D极,⑦⑧并联作S极接限流取样电阻rs1//rs2BP2802工作频率由Rt定置,每次导通,视为于D-S短路,直流电源母线向电感Lk充磁,然后在电容Ck得到直流电压UckLED灯工作;每次截止,电感电流由Dk续流,维持电容Uck的直流电压向LED供电,这就把电源母线直流高压,用BUCK拓扑,转化为低压直流电压UckLED供电,电功率超过0.90 4.2.3ZCZV软开关工作状况:由于BP2802内置开关管,导通时串有电感Lk,因为电感电流不能突变,所以是零电流导通ZCS)软开关;图二中设计Czv1Dzv1Czv2C-D-C吸收网络接通D -S极,当D-S截止时,由于电容电压不能突变,所以是零电压截止ZVS)软开关,D-S截止瞬间的脉冲能量,储存在Czv1Czv2,其中,Uczv2直接填补电源母线的波谷,有效提升功率因数PF超过0.90。而Czv1的储能,在开关D-S导通时,经DF1D-S泄放完毕,为下一次ZVS软开关作准备。 4.2.4LED恒电流恒功率控制:BP2802⑦⑧S极,接限流取样电阻rS1//rS2,当电流超过定置限额时,BP2802短瞬停止打呃式的开关工作,直接限制超电流超功率,实测LED恒流恒功率效果可以实现正负0.015的误差,用(图二)如此简洁低成本电路,做到如此精度恒流恒功率是十分难得的,特此向读者推荐。 4.2.5[f1][f2]网络化害为利:实测(图二)EMC频谱,从中找到谐波能量较大的频率f1f2,用Lf1-Cf1f1发生谐振,又用Lf2-Cf2f2发生谐振,目标是把EMC有害谐波频谱之中f1f2的谐波能量转化为直流能量储存在Ucf1Ucf2,用二极管DFoUcf1Ucf2串联反馈给直流母线起到填波谷的作用,如果成本允许,还可以把EMC频谱中f3f4……能量较大的谐波频率回收后回馈给电源母线,均可以化害为利,既利于产品通过EMC测试认证,又可以使产品电功效率有所提升,这种方法还可推广适用于其他开关电源产品中应用,特此向读者推荐。 4.3LED光引擎的隔离式电源设计: 如果订单规定要隔离式LED电源,就不能用(图二)电路;我们另外设计了(图三)电路。 (图三)基于BP2802串推挽振荡的隔离式LED灯示意图 参考(图二)的电路,把原Uck直供LED的电压,改为供NPN1—NPN2作自激推挽振荡的电源,经变压器TRA隔离,从次级N21—D21N22—D22作全波整流,输出到电容Co两端,Uco供电给隔离式LED光引擎。为了提高电功效率,并为更有效抑平LED的电流纹波,利用Lk电感作原边,绕隔离副绕组N2作倍压全波整流,得到与电容Co相匹配的电压并联在Co两端,降低电源纹波供LED工作。由于BP2802⑦⑧电流取样电阻rS1//rS2能够有效限制Uck的电压来实现恒流恒功率,可见,仅仅是为了满足隔离的作用,不得不用NPN1—NPN2作推挽自激振荡,增加多一次变换,电功效率略低于(图二)。其他可参考(图二)的说明,在此不赘叙了。 (五)组合式LED光引擎的现场调试 目前LED路灯的光学设计,只能满足某灯杆高度时,才有较均匀的地面照度,不能满足不同灯杆高度应用同一路灯都有理想的均匀照度。 本文介绍的“LED光引擎就能满足任何杆高度的应用,微调各个“LED光引擎的投光轴线,满足路段尽量均匀的照度。 至于照度(Lx)的大小,可以增加“LED光引擎的数量来抵消投射过程中空气对LED光的吸收与散射之后,实际投到某光斑地面照度大约30LxLED路灯交付使用三年光衰30%,仍可以勉强达到不低于20Lx照度法规要求。 (六)智能型多光源优势互补组合灯是发展趋势 蔡祖泉老先生在世时评论:LED路灯够明,但不够亮的教导,我们分析后悟出了高光效每瓦流明很高的LED灯,只是积分球内测出的光通量(流明Lm)而已,在LED灯发出的流明到被照明地面之间,由于大气对LED狭光谱能量的吸收损失甚大,所以到地面上1.1米处测出的照度,很难达到30流明以上,三年后光衰考虑在内,能否达标20流明仍是大问题。 LED价格较其他光源昂贵,受成本限制不能加用太多LED颗数。 于是能否考虑发挥HID光源穿透性强的优势,用小功率HID光源来满足照度Lx的基本要求;然后又考虑到性价比优势的三基色荧光灯满足照明舒适度的要求,在结合本文LED光引擎的特点,组合成为多光源路灯。 天色渐暗到某阀值时,智能型组合LED路灯自动亮起三种光源,实现最优选舒适度照明,待传感器侦知车稀人少时,把发热温度最高的HID灯先熄灭,甚至,把三基色荧光灯调光降功率运行,到后半夜无车无人时,只保留部分LED光引擎工作,维持社会治安要求下限的照明。 还可以智能化进一步侦知有一伙人突然出现在路上,可以智能化调光做到人来前灯亮,人走过后灯调光转暗。这是法国专利用电源线载波智能化路灯,是未来节能路灯发展方向之一。

 

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