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善用感测器技术u3000LED照明环保优势倍增

发布时间:2020-08-26 发布时间:
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LED照明应用为大势所趋,然过去输出亮度低、稳定性不佳、寿命难以延长等弊病却阻碍市场普及,有鉴于此,多元化的传感器技术应运而生,实现在不同的制作方式,仍不牺牲亮度与寿命,更突显出LED节能环保的优势,将有助于加速LED照明市场渗透率扩大。

发光二极管(LED)照明正成为产业的首选技术,尤其是在恶劣环境条件的场合,LED解决方案是耐用且从不会完全失效,然其光量确实会随时间而减弱。采用自动调光测量LED光输出,同时调整电源,可有效地在灯泡的整个使用寿命期间保持恒定的光输出。如此可在不同的制作方式下保持稳定的亮度,且大大延长灯泡的使用寿命,本文将阐述如何使用各种传感器技术运作且适用于街道、办公室和工厂的照明的电路范例。

系统层级的生态设计须面面俱到

就生态设计(Ecodesign)而言,对于特定的应用,延长使用寿命永远是人们所希望的,因为它与生态冲击(Ecological Impact)直接相关。此不像想象的那么容易,因为创新永不停止,新标准和新应用的可能性须被纳入考虑,且须要实现新功能。重要的是不要仅执行最低标准,还要建立预载有各种新功能、同时能带来一定弹性的更佳产品。美国太空总署的「火星漫游车(Mars Rover)」就是一个很好的例子,大量的技术支持帮助这项计划的导入,并使计划启动时间大幅提前。

除了弹性之外,让LED具有如此长寿命的可能性亦至关重要,对此,有三类影响须要考虑:快速变化的影响(如接通电流)、缓慢变化的影响(如漂移)及外部影响。

对于所有应用而言,导通电流是一种重要的应力。电源中的大型总线电容正是有可能造成此种应力的主因。此外,开启电源时的不明确状态可能给应用带来应力。为避免这些状况,应该在整个设计时间使用失效模式与影响分析(FMEA)来对电路效能进行仔细的分析。在完成的应用设计中,还须要检验导通和关断过程中的电流和温度,在设计时间,可能因此两点未被注意,结果往往导致在后期造成现场故障。

图1显示由导通电流引起的某电源输入桥式整流器的温度变化,此时虽然其他组件处于冷状态,但整流器的温度却明显升高,可能影响产品使用寿命。许多二、三十年前开发的应用采用能避免漂移所引发故障的电路技术,由于后来使用的众多组件具有较大的公差水平和更大的漂移,所以开发对组件特性依赖较少的电路。为延长一项应用产品的使用寿命,许多这类技术不在现今生态设计的考虑之列,如此便增加电路设计的复杂性,使得组件数目增加。电子线路的环保影响通常低于工作能耗所引起的影响,所延长的使用寿命可弥补增加的复杂性。



图1 导通电流引起的电源输入桥式整流器温度变化

功率电子是所有应用和产品的一个重要部分,尤其是在生态设计的考虑之中,因为子系统透过效率等特性影响到环保效能,如较低的效率意味着应用产品须采用较大的散热片,从而在生产和应用过程中消耗更多能量,并须使用更多的能量进行运输和回收。因此,建议设计人员能够考虑到最高效率和较大的输入电压范围的运用,以便减少组件的数量,获得最大的灵活性,因为此部分日后无法进行更动,如利用软件修改。

在照明应用中,使用LED解决方案是大势所趋。除具有更高的效率之外,LED本身亦具有很长的使用寿命,LED驱动电子装置在设计上应该尽量利用LED的长效使用寿命。图2为此种照明方案的示意图。



图2 LED照明方案示意图

路灯照明是这类照明方案的一个特殊实例,没有任何其他照明应用结合多元化的要求,如温度、湿度、振动等不断变化的环境因素,以及高效率、高可靠性和低耗电量需求,都在照明解决方案的考虑因素之内,同时亦要考虑大量生产和承受相对应的价格压力。随着灯泡功耗的变化,温度会从-40℃变为85℃,导致温度大幅上升。重点是必须注意到,每个(每日)导通周期会引发一次温度周期,此意味着在系统层面上,5年中灯泡会有接近两千次温度周期,为系统带来很大的应力。
由于路灯照明的成本是城镇预算的一个重要部分,人们特别关注高效率的能力,以期帮助降低路灯的运作成本。目标是使用最少的电能来提供街道或人行道所需足够的亮度,这当中还不包括后续的维护成本,若使用寿命较短的灯泡,其维护成本也会更加可观。粗略估计一定人口使用路灯数量的方法,是按照每六个居民一盏路灯的比例来计算,按照这样的比例,德国大约有一千三百三十万盏路灯,节能潜力非常惊人。因此,许多城市和小区转而使用这些新型LED照明方案也就不足为奇,部分更换整个灯泡,或者更换灯头。

路灯预防性维护至关重要

面对上述种种要求,这样的电源设计相当复杂,但并不是不可能。图3的左侧是输入滤波器和桥式整流器的范例,后面跟着一个特殊的电路,其中回馈电路使用一个边界导通模式(BCM)-功率因子校正(PFC)-控制器。通常,电源周期内开关频率要发生变化,以保持输出电压的恒定。此处,使用振荡器(内有Q102的电路)维持恒定的开关频率,从而在整个电源周期内维持一种恒定的工作周期,此可改变工作周期(虽然以极低的速度),以便调整输出电流。因为LED不是动态负载,所以不会产生问题,藉由这种改变,输入电流将与输入电压对应,转换器将恒定工作于不连续导电模式(DCM),获得极佳的功率因子。



图3 路灯电源设计架构

图4显示整个电源周期内初级侧(黑色)和次级侧(灰色)的电流。很明显,电流的峰值呈正弦形曲线,此使其能在使用小输入电容时,仍获得好的功率因子和低传导辐射。



图4 电源周期内初级侧与次级侧的电流

该电路能够在不使用额外PFC电路的情况下获得好的功率因子。缺点是在双倍线路频率下,次级侧的涟波电流很大,但对于LED照明而言,此并不足以担忧,因为肉眼无法察觉高达100Hz的闪烁速率。

在次级侧,利用一个电路将输出电流(用分流电阻测量)转换成初级侧调节器的回馈讯号,以获得驱动LED的电流输出。在这里对平均输出电流进行调节,是因为回馈回路必须缓慢,以便在输入端获得好的功率因子。另一个优点是使用金属箔电容作为输入电容,其小尺寸符合缩小空间方面的要求,并显著延长LED寿命。

LED灯的寿命也经由LED的亮度漂移决定,如欧司朗光电半导体(OSRAM Opto Semiconductors)的LED产品Golden Dragon Plus平均寿命为45,000小时(焊接条件下,温度85℃,以0.7安培电流连续工作)。其可分成四阶段,第一阶段是能够上下相对快速漂移的阶段,接下来是反射器老化阶段,然后是LED仅有一点漂移的较长阶段,最后是灯寿命漂移真正终止的阶段,在这个阶段中,亮度持续降低。

LED的失效不会是突发式灾难,但在到达额定寿命期时,其亮度会下降至70%。灯将随时间的推移持续变暗。在某些应用中,这并不是问题,但对于其他一些有标准和规范要求亮度恒定的应用中,此种情况是不能被接受的。


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