淺析發(fā)光二極管道路照明電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

（武夷學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室管理中心,福建 武夷山 354300）

隨著建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的提出，發(fā)光二極管（LED）照明作為新興節(jié)能光源逐漸應(yīng)用到路燈上，并以其優(yōu)良的性能和廣闊的發(fā)展前景漸漸體現(xiàn)出取代被譽(yù)為第三代路燈照明光源——高壓鈉燈的趨勢(shì)。因此，發(fā)光二極管道路照明技術(shù)的研究對(duì)照明節(jié)能設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文將結(jié)合CAT4101芯片特點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)際對(duì)發(fā)光二極管道路照明電路設(shè)計(jì)及相關(guān)特性進(jìn)行淺析。

1 發(fā)光二極管（LED）特性分析

發(fā)光二極管（LED）作為一種特殊的二極管，具有同普通二極管相似的伏安特性，通常是利用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，比如砷化鎵、磷化鎵等制成[1]。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，管子通以電流時(shí)半導(dǎo)體中的電子和空穴直接復(fù)合，放出過剩能量，從而引起光子的發(fā)射。

1.1 LED路燈節(jié)能環(huán)保

普通燈泡發(fā)光一般是由電能轉(zhuǎn)換能熱能再轉(zhuǎn)換成光能，轉(zhuǎn)換效率僅為12%。LED作為一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，由電子移動(dòng)復(fù)合釋放能量發(fā)光，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到68%。在同樣照明效果下，LED的耗電僅相當(dāng)于普通燈泡的1/10。

LED 路燈使用壽命可以長(zhǎng)達(dá) 50×103～100×103h，比普通燈泡延長(zhǎng)大約100倍。同時(shí)，LED運(yùn)用的是冷光源，眩光少、無輻射，在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，而且廢棄物可回收，沒有污染，具有其他光源無可比擬的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

1.2 LED路燈控制靈活

LED路燈作為數(shù)字化可調(diào)光源，可以進(jìn)行0～100%連續(xù)調(diào)光，根據(jù)道路照明光環(huán)境多樣性靈活調(diào)整光輸出，實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求情況下最大可能的降低功耗。LED路燈可以快速控制響應(yīng)，利用連續(xù)調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路照明進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

傳統(tǒng)的高壓鈉燈屬于高壓氣體放電燈，從燈泡啟動(dòng)到正常亮度的時(shí)間一般長(zhǎng)達(dá)3～10min。LED作為半導(dǎo)體固體器件，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)啟動(dòng)，在連續(xù)開關(guān)閃斷的狀態(tài)下正常工作。

1.3 LED路燈景觀一體

LED路燈一般為模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)輕質(zhì)，體積小巧，能夠適應(yīng)多種幾何尺寸和不同的空間大小。因此，燈具可以設(shè)計(jì)制作得非常小巧美觀，適合安裝在任何建筑結(jié)構(gòu)上而不影響其外觀整體美感，易于對(duì)景觀大道、立交橋等的路燈進(jìn)行外觀造型設(shè)計(jì)。

LED光源耐沖擊、抗震動(dòng)，適合在橋梁、隧道內(nèi)安裝，相對(duì)于傳統(tǒng)的高壓鈉燈，LED照明設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.4 LED路燈顯色性高

目前，大功率LED路燈一般都是采用藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉來獲得白光的。傳統(tǒng)的高壓鈉燈經(jīng)濟(jì)節(jié)能、透霧性強(qiáng)，但其色彩還原能力差，顯色指數(shù)只有23左右。LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高許多，顯色指數(shù)可以達(dá)到75以上，完全符合城市道路照明要求。

另外，LED光色純真，隨LED芯片配料不同的關(guān)系，顯色指數(shù)、色溫均可變。道路照明設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)所的設(shè)計(jì)要求選擇相應(yīng)的顯色指數(shù)和色溫要求。

2 發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)電源

LED驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電壓轉(zhuǎn)換器。目前，LED驅(qū)動(dòng)電源還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各式各樣的驅(qū)動(dòng)電源在市場(chǎng)上頻頻出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源故障層出不窮。根據(jù)電網(wǎng)用電規(guī)則和LED特性要求，在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

2.1 LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)思路

目前，LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)一般采用恒流式驅(qū)動(dòng)。恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，有效避免電流隨電壓變化而改變，恒定電流可以保持LED亮度穩(wěn)定。LED光通量與溫度成反比，因此使用中應(yīng)盡量減少電源發(fā)熱和設(shè)計(jì)良好的散熱系統(tǒng)，降低結(jié)溫并控制在一定范圍內(nèi)，延長(zhǎng)LED路燈使用壽命。

2.2 LED驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①可靠性

LED電源和驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，是保證LED路燈壽命更長(zhǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。尤其是LED路燈安裝在高空，維修不方便，維修費(fèi)用也大。

②高效率

LED路燈具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，其驅(qū)動(dòng)電源的效率要高。因?yàn)殡娫吹男矢?，降低了其在燈?nèi)散發(fā)的熱量，對(duì)延緩LED光衰有利。

③恒流驅(qū)動(dòng)

目前通行的恒流驅(qū)動(dòng)有兩種：一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒流源，每個(gè)恒流源單獨(dú)給每路LED供電；直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。

④浪涌保護(hù)

LED路燈裝在戶外，由于電網(wǎng)負(fù)載的啟甩和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。

⑤維護(hù)可行

由于塵土、鳥糞的積累使得散熱器的散熱效率隨時(shí)間而降低，電源故障不可能完全避免，只有把電源的更換做得簡(jiǎn)便時(shí)，才具備把維護(hù)任務(wù)交給路燈管理單位的可能。

3 發(fā)光二極管（LED）電路設(shè)計(jì)

3.1 CAT4101芯片模塊分析

CAT4101是一款線性恒流LED驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)大量LED串聯(lián)的LED串，并提供大電流驅(qū)動(dòng)能力，是各式LED應(yīng)用的良好選擇[2]。

CAT4101不需要使用外部電感，在實(shí)際應(yīng)用中減少了器件數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，還可以消除由電感產(chǎn)生的雜訊。LED電流通過一個(gè)連接到REST引腳的外部電阻設(shè)置，該引腳兼容高達(dá)25V高電壓，使得CAT4101可驅(qū)動(dòng)多至10個(gè)一組的LED串，電流可調(diào)整為1A。該器件提供高速高分辨率的PWM調(diào)光功能，還包括“即時(shí)亮”型的PWM控制模式和過熱自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)功能。CAT4101采用5引腳TO-263封裝，它具備優(yōu)異的散熱性能。

3.2 NE555芯片模塊分析

NE555集成電路是8腳封裝，其中6腳為閾值端（TH），是上比較器的輸入；2 腳稱觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入；3腳是輸出端（Vo），它有0和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端（DIS），它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端（MR），加上低電平時(shí)可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端（Vc）,可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。

3.3 LED電路設(shè)計(jì)原理圖

7805作為供電芯片，為NE555和CAT4101提供穩(wěn)定電壓，NE555及其外圍元件組成模塊為CAT4101提供脈寬調(diào)制信號(hào)。其中，PWM信號(hào)從CAT4101中1腳輸入，2腳接穩(wěn)定電壓，3腳接地，調(diào)節(jié)電阻R2阻值可以實(shí)現(xiàn)LED組電流I大小改變。

4 LED電路設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)是一種傳統(tǒng)的調(diào)光方式，它利用簡(jiǎn)單的開關(guān)信號(hào)，反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器，系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的占空比，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。

目前，大部分設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅(qū)動(dòng)電流的大小成比例，光源愈是精密，需要采用PWM調(diào)光的機(jī)會(huì)就愈大。

表1 、LED電流隨REST電阻變化關(guān)系

CAT4101可以精確調(diào)節(jié)LED組的電流，并且該電流隨著REST電阻大小變化而改變，因此采用PWM調(diào)光方式可以對(duì)LED道路照明進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能化管理，實(shí)現(xiàn)公共照明的間接節(jié)電。

5 結(jié)束語

國(guó)家和社會(huì)對(duì)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)提出了新的要求，并伴隨著發(fā)光二極管（LED）技術(shù)的快速發(fā)展，LED道路照明具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。但是，目前LED路燈從應(yīng)用的角度主要還存在燈具二次配光設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)三大技術(shù)瓶頸，對(duì)LED道路照明光源的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)今后LED道路照明光源大范圍的推廣和應(yīng)用都具有積極的意義。

[1] 楊光.大功率發(fā)光二極管道路照明光源調(diào)光方案的研究[J].光源與照明，2011（2）.

[2] 陳宣平，劉韻梅.發(fā)光二極管路燈的應(yīng)用分析[J].光源與照明，2011（2）.