恒流驱动源研究及在太阳能LED路灯中的应用

一、概述

太阳能的利用虽然有很多方法，但是像超大功率的太阳能发电站、家庭屋顶发电等都不适合中国的国情，唯一最简单而最容易实现的是太阳能路灯。我国的路灯总数超过1亿盏，只要其中的6000万盏改成太阳能路灯，其每年节省的电量就超过一个三峡水电站的发电量。如果把今后每年新增的2000万盏路灯全部改用太阳能路灯，三年下来又是一个三峡水电站。其节能的效果是非常可观的，而且完全不需要兴师动众地动员全国的力量来兴建，而这样发动各级地方政府的力量和各个有关企业的力量就可以完成。

太阳能路灯的构成十分简单（图1）。

图1. 太阳能路灯的构成

太阳能路灯的安装也十分简单，几乎就好像种树一样，挖一个坑，埋进去就可以了。不像采用交流电的路灯，需要铺电缆、建造变压器房、挖维修井…。虽然单个太阳能路灯的造价要比普通的高压钠灯的造价贵，但是，如果考虑铺设电缆等的总体造价，二者就相差不多。再加上以后每年所节省的可观的电费，可以说，太阳能路灯在一两年之内所节省的电费就可以弥补其差价，以后所节省的电费就是纯收益了。

从图1所示的框图中可见，其中最核心的部件，就是PWM调光控制器和恒流模块。过去很多投资都投向太阳能电池、和LED。很少有人关心到这两部分，以至于目前市面上的控制器大都没有PWM调光的能力，而目前的恒流模块绝大多数都是采用从国外进口的芯片。而国家也不重视这方面投入。这是一个很大的问题，当然也是有很大的机遇。

二、太阳能LED路灯为什么需要恒流驱动

除了发光效率以外，要使LED能够成为一个实用的灯具还有一系列问题需要解决。其中最重要的就是它的恒流驱动。这是由以下几个原因所决定的。

（一） 太阳能LED路灯所用的蓄电池输出电压不恒定
在太阳能路灯中通常是采用铅蓄电池作为能量储存单元的，而铅蓄电池的输出电压从满充到满放，其电压变化是会接近20%的（图2）。所以它所引起的LED电流变化就有可能超过4倍以上。

图2. 铅蓄电池的放电曲线。

图3. 某一公司的 LED的伏安特性

LED有很陡的伏安特性（图3）。

假定初始的电压为3.25V，这时的正向电流为350mA。假如供电电压降低到2.6V（20％），这时的电流就不到40mA,降低了将近8.75倍。

而LED的发光亮度是直接和其正向电流有关的。同一厂家的同一 LED，其相对发光强度和正向电流的关系曲线如图4所示。

图4. 相对光强和正向电流的关系

由图中可以看到，如果正向电流从350mA降低8.75倍到40mA，其相对发光强度将从100降低到20。降低将近5倍。显然这是完全不能允许的。所以一定要把电流恒定。

（二） LED发光的温度不稳定

LED路灯通常在露天工作，其环境温度的变化是很大的。
而LED的正向电流还和结温有关，图5就表明LED在不同结温时的伏安特性。

图5. 在不同环境温度时LED的伏安特性

LED的温度系数通常为负的，也就是当温度升高时（T1－>T2），伏安特性向左移动。其值大约是-2mV/℃，那么当其结温增加50度时，其正向电压就会降低0.1V，假如用恒压电源供电时，其正向电流就会增加。比如，常温25℃时LED最佳工作电流20mA，当环境温度升高到85℃时，PN结电压VF下降,工作电流急剧增加到35mA～37mA，但此时电流的增加并不会产生亮度的增加，称为亮度饱和。同样，当环境温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小到8mA~10mA，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到应用场所所需的照度。

而且当温度变化时，LED的发光光谱也会发生变化。通常温度增加时光谱的最大值是向波长长的方向漂移。大约是每升高10oC时漂移1nm，升高50度会产生5nm的变化（见图6）。

图6. LED发光的峰值波长随环境温度而变化

实际上，LED的光谱也是随其正向电流改变而改变。这也是不希望的，所以一定要保持其正向电流恒定。采用恒流源供电以后，这种温度变化所引起的电流变化就会转化为其正向电压的变化，从而不会引起亮度和光谱的变化。

（三）LED的PWM调光

在太阳能LED路灯中，常常需要按照工作时间来调节路灯的亮度，以减小太阳能电池板的面积。
为了改变LED的亮度，最简单的方法就是改变其正向电流。但是，正向电流的改变会引起光谱的改变，对于白光LED，会引起其视在色温的改变，显然这是不希望的(图7)。

图7. 正向电流的变化引起的发光光谱的变化.

最好的方法就是采用脉宽调制（PWM）的方法来调光。这实际上利用了人眼的视觉残留的特点，使得虽然LED仍然以满电流工作，但是它是开关式地间歇地工作，改变开和关的比例，就可以改变其视在亮度。为了不致引起闪烁的感觉，开关的周期必须小于人眼视觉残留的时间