大功率LED道路照明光源的調光方案

　　在道路照明中，由于室外的環境條件較為惡劣，位于光源內（溫度有80~90℃以上）LED 的溫度較高，極端條件下幾乎接近于其所允許的最高范圍，因此散熱問題是LED 道路照明的核心問題之一，需要下工夫來解決。具體可參見圖9 所示。

　　基于此，在調光運行模式下LED 所具有的較低運行溫度對于提高其使用的壽命是非常有益的。 1.2.2 LED 驅動器的特性及壽命

　　要使LED 道路照明能夠有效地發揮其固有的優勢，驅動器的性能至關重要，也就是說驅動器性能的優劣直接關聯到LED 道路照明的使用和照明效果。由于道路照明環境的嚴酷性和高可靠性的要求，通常驅動器需要具備以下的基本性能：

　　①輸出余量：20%~-40%；

　　②輸入電壓：90~305 VAC；

　　③效率： 80%~92%；

　　④功率因數：0.90~0.99；

　　⑤多級驅動隔離；

　　⑥5×104 h 耐久性測試；

　　⑦8 000 kV 浪涌測試；

　　⑧內外部防雷系統；

　　⑨防水等級：IP67~68。

　　特別是在要求調光的情形下，LED 的表現更直接受制于驅動器的性能優劣。目前對LED 器件及道路照明配光特性研究的文獻較多，而對其在實際照明光源條件下的工作條件、整體輸出特性可靠性及使用壽命等的研究相對較少。經統計顯示，影響LED 驅動電源壽命的一大主要因素是輸入濾波電解電容器在道路照明光源內高溫環境下（80~90℃）的有效壽命問題，一般規律是：使用的環境溫度每升高10℃，電解電容器壽命將會減少一半。通常電解電容器的使用壽命在5000 h 以下，并且與使用的環境溫度有很大關系。雖然目前市場上有一種105℃的高溫電解電容器的標稱壽命為1×105 h，并且在85℃環境下理論工作壽命可達4×105 h。按每天LED 照明光源工作12 h 來計算，理論上可用10 年，但是其造價較高，并且不同廠家的產品差異也較大。基于此，研究減少直至取消電解電容器的LED 驅動器是一課題方向。

　　圖10給出了基于某種特定產品的LED 驅動器的使用壽命與溫度的關系、驅動器輸出功率與其溫升的關系。

　　由圖10 所示，LED 驅動器的工作壽命與其溫度呈現出較大的衰減特性。在調光運行的條件下，由于LED 負載變輕導致驅動器輸出功率降低，其內部開關等器件的溫升較低，因此從使用的角度來考量調光運行對驅動器的使用壽命是有利的，即能夠在較大的程度上提高其使用壽命，但是從其整體效率上來說，由于輸出功率的減小（特別是在調光的最小輸出狀態下），而其自身功耗的減小程度相對輸出功率來說比較小，因此將造成其整體效率的下降，這需要特別注意。

　　1.2.3 LED 光源的光輸出特性及道路照明效果

　　一般來說，LED 道路照明光源的光輸出特性是依據道路照明規范的要求來確定的。在LED 道路照明光源光輸出特性的設計上，主要是采用LED 的一次配光（自身的封裝透鏡形成LED 器件）、二次配光（外加配光透鏡形成LED 單元）和三次配光（光源內安裝的排列方式）或其中的一、二次配光方式來獲得滿意的道路照明效果。而在調光的運行模式下，LED 光源的光輸出特性及道路照明效果就變得較為復雜，要分別加以分析。

　　1.2.3.1 LED 道路光源的光輸出特性

　　對于滿足道路照明要求的、具有獨立的光輸出特性的單個LED（單元）而言，有兩種情況需要考察：

　　①采用無級調光（線性、模擬或PWM）的方式，即所有LED 均參與調光，調光的結果只改變光源的整體光輸出的大小，而不改變其光輸出的特性，因此是一種理想的調光方式；

　　②通過LED（單元）來分組調光的情形，由于不是每個LED（單元）都參與調光運行的，因此調光后光源的光輸出特性是改變的，此時光源的光輸出特性有可能不能滿足道路照明的相關要求，需要分門別類地加以認真考慮和選擇。

　　1.2.3.2 LED 道路光源的照明效果

　　在上述光輸出特性中提到，在調光模式下LED 道路照明光源的配光曲線有可能發生改變，而光源的光輸出特性對道路照明的效果起到決定性的作用，因此撇開采用間隔照明在道路上形成的連續暗區、嚴重影響道路交通安全不說，單單就上述的具有不同的光輸出特性的LED 道路照明光源來說，光源的光輸出特性都是在全功率輸出條件下獲得的，因此凡是調光后光輸出特性改變的，不管改變多少，程度如何，對道路的照明都存在著一定的影響。因此，LED 道路照明的調光問題是一個綜合性的問題，實際運用時應該以保證道路的照明效果和交通安全為前提，不能為了節能而節能，忽視了道路的交通安全，否則將是得不償失。

　　2 結束語

　　總之，社會經濟及城市化進程的快速發展，使得LED 道路照明在實際使用過程中，人們不僅滿足于對其光輸出特性的要求，而且對道路照明光源所提供的照明品質、照明環境、照明舒適度和照明節能等也提出了更高的要求，特別是對LED 道路照明條件下的交通安全、治安環境等要求也很高。這就要分別加以認真分析和仔細研究。特別是要依據不同調光方式下LED道路照明光源所所具有的各自特點以及相適用的道路照明現場環境，對LED 道路照明光源的設計進行改進和優化。這樣，對今后LED 道路照明光源大范圍的推廣和應用都具有積極的意義。

　　LED的無級型模擬調光是基于恒流的驅動條件下，通過在驅動器的控制端加以直流控制電壓（如0~10V）或電阻等方式來改變驅動器輸出電流的大小值，也即可以調節道路照明LED 單元的發光強度，對應的關系近似為線性，調光原理光輸出與可調電阻對應關系可參見圖4 所示。該模擬調光具有電路簡單、調節時電流的過沖小、效率相對較高優點。存在的主要問題是：

　　調光時的色溫將發生變化，不適合對色溫要求恒定的照明光源，但是對于不太重要的道路照明可能影響不大。因此是一種較理想的、具有較好效果的道路照明調光方案。

　　1.1.2.3 LED 的脈寬調制（PWM） 型無級調光

　　為了解決LED 的無級型線性調光和LED 的無級型模擬調光方案所帶來的諸多不利問題，提高LED 道路照明的效果及調光運行的效率，通過利用人眼的暫留視覺特性，在不改變LED 瞬時電流大小的前提下，只改變其輸出電流的占空比（即電流有效值改變），來獲得調光的目的，就是一種理想的調光方式。調光的關系式可表述為：

　　DIM-LED= DIM× LED,

　　（式中： DIM-LED 為LED 調光的平均電流， DIM 為調光控制波形的占空比； LED 為LED 正常電流。）圖5 給出了具體的應用原理a、光輸出與調光信號占空比的對應關系b，可供參照。

　　其主要的優勢是：基于白光LED 的特性，調光時光源的色溫將能夠保持不變，因此對道路照明的效果就更為有利；不足之處是：調光運行時LED 的過沖電流較大，發光效率有所降低，并且整個電路也較為復雜。