LED照明智能控制解决方案
能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光(SSL)产品的发展很快,被认为是照明市场上的主要革命性进步。在许多垂直应用中,如信号灯、汽车、LCD TV背光,LED已经毫无争议地成为传统光源的替代产品。但对于范围更广的通用照明,LED还没有被广泛接受。固态发光产品的成本和效率无疑将继续快速改进,力争被市场接受。
通用照明中的固态发光产品
阻碍LED向通用照明转移的原因一是传统市场的容量太大,二是市场的惯性所致。要满足后者的兼容性恐怕是最大的挑战。热管理、电压转换和色彩管理是需要解决的基本问题。随着越来越多的业内人士开始认识到这些问题,需要采用智能的数字控制方法来经济有效地解决各种各样的挑战,然后才能享受新技术所带来的好处。
LED照明节能明显
如果在建筑物上采用LED照明,可以节约48%的照明用电。一盏白炽灯的发光效率一般是10~15lm/W,荧光灯的效率可达70~100lm/W,氙气灯的效率为80~120lm/W,目前的商用LED的效率为80lm/W,有些实验产品已经达到了131lm/W,而LED的最大理论光效是200lm/W。
白色并不是色彩
LED的最大问题是发光的频带很窄,这样光的颜色很单一,可以达到高效率,并且不会发热。如果光的颜色正是我们所要的当然最好了,但在一般的照明中,我们需要的都是白光。换句话说,我们需要的是按照一定比例混合起来的多种颜色,来模仿经过地球大气过滤后的阳光的频谱。
可以通过在LED的蓝色或紫外光源上涂上一层含磷材料,来获得白光。所有的LED厂商都在对含磷材料的成份、厚度、位置进行广泛的研究。
LED厂商们接连不断地公布新的研究成果,称新器件的效率比以往任何产品的效率都高。此外,光源的质量也在不断提高。我们眼睛所看到的光的质量可以用相关色彩温度(CCT)来衡量,这是与所感觉到的灯的颜色最匹配的黑体的温度。
恰当地混合各种颜色
获得白光LED的另一种方法是按照正确的比例将红、绿、蓝(RGB)三种颜色混合起来,不但能获得白光,而且还能获得所需的色温。图1是这种方法的应用电路,用1个8引脚的8位MCU来控制三色RGB LED。只需简单的算法,就可以对3个发光管的相对光强进行控制,可以达到6位的分辨率(64个光强等级),对控制颜色输出和相关颜色温度来说是足够的了。
该电路采用了PIC12HV615闪存MCU、分压电阻、复位电路、A/D转换器,振荡器提供8MHz的时钟,构成了一个简单的单芯片解决方案。在生产时,还可以利用这种闪存器件的在电路可编程特性进行颜色校准。
LED的寿命
图1所示的电路适用于很多应用,但有一个很重要的缺点是效率低。这是一个线性解决方案,电能都消耗在镇流器电阻上了。此外,在整个产品生命周期内还可能出现更多的问题。
图1 可进行颜色校准的白光LED系统
LED的一个主要优点是极长的使用寿命,这也带来一个严重的问题,即偏色。LED可以使用50 000小时以上,其发光强度会从标称值逐步下降到70%左右(白炽灯在使用大约1 500小时以后会突然失效)。
遗憾的是,在这50 000小时内,一个白光LED的相关色彩温度(CCT)将会发生变化,当荧光粉老化的时候,CCT会向更高的温度漂移,即向蓝色漂移。当三种颜色的发光体按照不同的曲线老化时,RGB的LED也会出现类似的问题。
通过使用微控制器,加上预测算法或闭环控制系统,将会开发出几种技术来补偿由于器件老化所带来的影响。有些生长商已经生产出了彩色光敏元件,再配合简单的PID算法就可以一次性地彻底解决色彩漂移问题,当然采用这种元件会增加一些成本。
由于色彩漂移的过程非常缓慢,就不需要很高的计算性能,甚至低成本的8位MCU就能满足要求。
LED并不是冷的
LED通用照明中的另一个很大的挑战是热量控制问题。正如前文所述,高功率的LED在很窄的一个频带内向外产生电磁辐射时不会浪费能量,但仍然会产生热量,热量会通过传导而不是辐射的方式散发出来,这一点类似于白炽灯。
LED的发热问题给设计通用照明系统提出了很大的限制。为一个给定功率的白炽灯设计的照明系统很难适应同样功率的LED,因为热传导的路径是非常有限的。
功率转换和控制
当整个LED产业界都把关注的重点放在如何实现最大的LED发光效率时,驱动/控制电路的效率问题也必须受到同样的重视。LED是低电压器件(Vf为3~4V),工作电压与市电完全不匹配,为实现最高的效率和保持持续的光输出,LED需要精确的电流控制和开关模式的功率转换。
为解决这个问题,必须采用一些恒流驱动技术。不但需要隔离、功率因数校正,在有些情况下还需要进行两级处理。输入电压先被降低到一个中间电压,并采用功率因数校正和
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