解決LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的探討

孟繁春

(撫順市工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧撫順 113000)

1 引言

隨著半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的高速發(fā)展，白光LED的性能不斷完善，在照明市場(chǎng)備受矚目，它的主要優(yōu)點(diǎn)是:體積小，發(fā)熱量低，耗電量小，壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，耐振動(dòng)，無(wú)污染。LED照明是人類(lèi)照明史上的革命，專(zhuān)家預(yù)計(jì)，LED照明將在十年內(nèi)大范圍代替常規(guī)照明，它的可觀節(jié)能效果，必然將主導(dǎo)整個(gè)照明市場(chǎng)［1～3］。

LED光源雖然在節(jié)能方面比普通光源的效率高，但是LED光源卻不像普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配有專(zhuān)用的電壓電流轉(zhuǎn)換設(shè)備，提供能夠滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)LED的額定電壓和電流，才能使LED正常工作。不同的LED照明燈具，不同的照明用途和功率大小，LED驅(qū)動(dòng)電源的規(guī)格也不同。所以，選擇合適、高效的LED電源，選擇正確的驅(qū)動(dòng)方式，才能真正展現(xiàn)LED光源高效能的特性。

2 LED的工作特性

LED的發(fā)光原理就是將電能換為光的過(guò)程，將電流通過(guò)化合物半導(dǎo)體，通過(guò)電子與空穴的結(jié)合，過(guò)剩的能量將以光的形式釋出，達(dá)到發(fā)光的效果。圖1為正向?qū)▔航?(VF)和正向電流 (IF)的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，當(dāng)正向電壓超過(guò)某個(gè)閾值后，IF隨著VF的上升而快速上升，較小的電壓變化都會(huì)引起電流的較大變化。大功率LED的光特性通常被描述為電流IF的函數(shù)，圖2為光通量和正向電流的關(guān)系曲線圖。LED的光通量由流過(guò)的LED電流決定，LED光通量隨著流過(guò)LED的電流的增加而增加，但卻不成正比，越到后面光通量增加得越少。電流過(guò)強(qiáng)會(huì)引起LED的衰減，電流過(guò)弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，因此應(yīng)使LED在一個(gè)發(fā)光效率最高的電流值下工作。采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性和壽命。這也決定著LED照明適合恒流驅(qū)動(dòng)而不是恒壓驅(qū)動(dòng)，以保證大功率LED使用的安全性，同時(shí)達(dá)到理想的發(fā)光強(qiáng)度。

圖1 正向?qū)▔航岛驼螂娏鞯年P(guān)系曲線圖

圖2 光通量和正向電流的關(guān)系曲線圖

3 LED的恒流控制

根據(jù)LED發(fā)光的特性，可以看出LED的法線發(fā)光強(qiáng)度Iv與其正向電流If之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。從 Iv與If的關(guān)系曲線中可以看出，GaAsP(N)材料的黃色LED發(fā)光燈和GaP(N)材料的綠色LED發(fā)光燈在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，發(fā)光強(qiáng)度與正向電流之間呈線性關(guān)系，GaP(Zn-O)材料的紅色LED發(fā)光燈雖然不呈線性關(guān)系，但也是正變關(guān)系。因此，對(duì)發(fā)光燈亮度的控制，就可以轉(zhuǎn)換成對(duì)LED的正向電流的控制。

從LED器件的正向伏安特性上可以找到控制正向電流的方法。如果采用簡(jiǎn)單的恒壓源串聯(lián)電阻來(lái)驅(qū)動(dòng)LED的話(huà)，在LED器件正向伏安特性上，以恒壓源電壓Vcc和串聯(lián)的負(fù)載電阻RL作出負(fù)載線(Vcc，Vcc/RL)(見(jiàn)圖4)，可以得到負(fù)載線與正向伏安特性的交點(diǎn)A，A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值就是LED的正向電流。改變電源電壓或者改變負(fù)載電阻，都可以調(diào)節(jié)LED的正向電流，從而對(duì)其亮度進(jìn)行控制。

圖3 LED發(fā)光強(qiáng)度與正向電流的關(guān)系

圖4 正向電流的恒壓源驅(qū)動(dòng)控制方法

電壓源驅(qū)動(dòng)方式，由于LED器件的特性分散性，采用相同的電源電壓和相同的負(fù)載電阻，可能得不到相同的正向電流，達(dá)不到正確控制亮度的要求，見(jiàn)圖4。所以，LED器件的電流控制常常采用恒流源驅(qū)動(dòng)方式，晶體管就是一種近似的恒流源，其LED驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。晶體管與LED串聯(lián)，所以晶體管的集電極電流就等于LED的正向電流。而晶體管的集電極電流又受基極電流控制，因此有:

如果把β和Vbt看成常數(shù)，那么If就只受Vin控制了。

圖5 恒流源控制

另外，LED的光通量和溫度也成反比關(guān)系，高溫會(huì)導(dǎo)致LED的光輸出降低，LED的光波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移，發(fā)光顏色發(fā)生變化。且溫度的升高會(huì)使LED的正向電壓降低，從而大大縮短LED的壽命，加速光衰。如圖6所示，當(dāng)溫度達(dá)到70℃ ～100℃時(shí)，LED的恒流線性地減少，直到120℃這一點(diǎn)達(dá)到零，恒流下降點(diǎn)和減少斜率取決于散熱設(shè)計(jì)。因而，大功率LED必須要有良好的散熱性。

圖6 1W LED的允許正向電流和環(huán)境溫度的關(guān)系曲線圖

4 解決LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的探討

解決LED照明驅(qū)動(dòng)電源壽命匹配的根本問(wèn)題，即整流電源發(fā)熱造成LED光源環(huán)境溫度升高的問(wèn)題，所以將LED整流電源散熱降溫的唯一途徑。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)將LED整流電源安裝在燈桿底部接線箱內(nèi)，鑒于目前我國(guó)路燈燈桿無(wú)接線箱，建議使用部門(mén)和路燈制造部門(mén)共同研制新型燈桿，具體做法見(jiàn)圖7。

圖7 新型燈桿具體做法

配電箱內(nèi)可做電纜、接續(xù)端子排、系統(tǒng)接地、LED整流電源模塊，都可以放在箱內(nèi)，既解決了原路燈燈桿內(nèi)電纜接續(xù)不便，放電間隙不夠，檢修困難的問(wèn)題，又可把整個(gè)桿體做為散熱器使用，使LED模塊溫升得到控制。

［1］汪建平，鄧云塘，錢(qián)公權(quán)編著．道路照明，復(fù)旦大學(xué)出版社．

［2］周太明等編著．光源原理與設(shè)計(jì)，復(fù)旦大學(xué)出版社．

［3］劉躍群，王強(qiáng)．現(xiàn)代道路照明的發(fā)展趨勢(shì)．照明工程學(xué)報(bào)，2003，14(1):33～34．