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恒流驱动源在太阳能LED路灯中的应用实例

时间:08-10 来源:电子技术应用 点击:

 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

  LED有很陡的伏安特性(图3)。

图3. 某一公司的 LED的伏安特性

  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

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