电子技术在LED照明中通用照明和智能控制的应用.doc
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电子技术在LED照明中通用照明和智能控制的应用
2010年10月19日17:
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与传统的照明方式相比,LED照明有许多独特的地方,主要表现在:
从结构上看,传统照明的光源和灯具是分离的,而LED照明在结构可以实现配光、散热及灯具的一体化设计;从功能上看,只有少部分的传统照明可以实现调光,而LED照明不仅能实现亮度的调节,还能实现色彩与色温的调节。
此外,LED照明比传统照明方式更适合智能化与数字化的控制,组成复杂的照明系统。
基于LED照明的这些特性,大体可以给出了三种模型,分别针对LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明与太阳能风能的结合设计,说明电子信息技术在LED照明中一些应用。
模型一:
电源+光源
现代电光源的工作本质就是将电能转化为光能,同时伴随一定的散热。
所以,LED的通用照明模型中就只包括电源和光源两部分。
在这种模型下,只能实现照明的开关控制,不能实现照明的调光、通信、反馈等功能。
电源具体是指AC-DC恒流型开关电源。
AC-DC是指交流到直流的转换,因为LED实际上是一个半导体二极管,它是在直流电压下工作的。
LED还有一个特性就是其工作电流近似值是工作电压的指数函数,电压的微小波动就会引起电流的巨大变化,严重时会直接烧毁LED,所以要保证LED的安全工作,必须使其工作电流恒定。
通常家用电器的电源都是恒压的,LED的特性决定了它要采用恒流电源。
为了提高LED工作的可靠性,我们一般要采用隔离型的开关电源,实现LED与市电电网的有效隔离。
和开关电源相对应的,还有一类叫线性电源,现在已经很少使用了,因为开关电源在效率和体积上更占优势。
现在的开关电源技术,能将转换效率做到85%甚至更高,功率因数0.95以上,总谐波在15%以内。
这些指标也是我们选择开关电源的基本要求。
光源就是LED芯片,这是LED照明的核心元件。
除了工作电流、管压降等电学参数外,我们更关心的是它的光学指标,如光通量、光效、色温、显色指数、光衰等等。
LED的光学性能与其温度密切相关,温度的升高会引起光效降低、色温漂移、寿命下降等问题,因此散热技术在LED照明中尤为重要。
热力学知识告诉我们,物体的散热只有三种方式:
传导、对流和辐射。
由于LED芯片只是固定的发出某种波长的可见光,所以不存在红外辐射散热。
在LED中,主要是传导散热,同时伴随一定的对流散热。
减少LED的热传导环节和降低每个环节的热阻,必要时采用强制风冷,都是散热设计中的考虑因素。
模型二:
电源+控制+光源
模型二比模型一多了一个控制模块,这就大大丰富了LED照明的功能。
如果说模型一只是一个照明产品,那么模型二可以说是一个照明系统了。
由于加入了控制模块,电源就变成恒压型开关电源了,但是LED光源的工作还是需要恒流型电源,这部分(恒流驱动)我们放在控制模块中一起实现了。
下面,我们重点分析一下LED照明的控制系统。
LED照明的控制系统,可大可小,功能丰富。
如:
无线遥控调光系统、色温可调照明系统、RGB调光调色系统、模拟日光照明系统、带DALI协议的智能照明系统、基于ZigBee和GPRS的无线路灯控制系统等。
透过现象看本质,所有这些照明控制系统,都是利用电子技术领域中的嵌入式技术、通信技术、传感器技术、计算机技术以及电力电子技术等发展建立起来的。
看似纷繁复杂化,其实有据可循。
为了理清脉络,我们可以将LED照明控制系统分为8个层次,逐层阐述。
如果我们能够把每个层次的技术方案做好,那么任何复杂的控制系统我们都可以像“搭积木”一样,轻松的实现。
LED照明控制系统的8个层次由底向上依次为:
供电层、驱动层、光层、感器层、议层、信层、作层、统实现层。
供电层
供电层为整个控制系统提供高效稳定的直流电源。
与LED光源工作需要的恒流电源不同,控制系统的工作需要的是恒压电源。
供电层的电源获得有两个途径:
一是从LED照明灯具上的恒压电源上获取,这是一个DC-DC(直流到直流)转换,因为灯具上的恒压电源的电压通常很高,而控制系统的电压很低,所以要做一个从直流到直流的降压转换;二是从交流市电获取,这是一个AC-DC(交流到直流)转换,为了安全,通常也要做成隔离型的开关电源,因为控制系统的功耗通常很低,所以这里的恒压电源对转换效率的要求就不是很高。
驱动层
前面提到,模型二中电源部分是恒压源,而LED光源的工作需要恒流源,因此,在控制系统中要有一个恒流驱动模块,为LED光源的正常工作提供恒流源。
在恒流驱动的设计上,一般是采用专用的驱动芯片,并配合一定的外围电路。
驱动芯片的输出端通常是带有一串LED,输出的恒定电流就是LED的工作电流。
输出的电压范围越高,可带的LED数量就越多。
也有例外的情况,输出端要并联多串LED,这时,我们要给每串LED串联一个小电阻来实现电流的分流。
驱动芯片一般还有一个PWM(脉冲宽度调制)的端口,用于实现调光控制,这是实现智能照明的基础。
恒流驱动方案的优劣,直接关系到LED照明的可靠性和使用寿命。
因此,对LED驱动技术的研究,尤为重要。
调光层
LED照明之所以容易实现智能控制,是因为它容易实现调光控制。
所有智能化功能的体现,都是通过调光功能实现的。
对于LED照明调光的理解,不能只限于调节光的亮度,还包括对LED色温和色彩的调节。
这也正是LED照明能够颠覆传统照明的一个主要因素。
调光技术的实现方式,有模拟和数字两种。
其中,数字调光主要是通过PWM(脉冲宽度调制)技术实现的,它是现在LED调光方案的主要手段。
PWM信号可以通过对微控制器的编程实现,产生不同的占空比,从而实现LED照明的调光。
设计一款LED“三调”(亮度、色温、色彩)功能的集成方案,是这个层次的研究重心。
传感器层
前面讲到的驱动层和调光层,是从系统输出的角度分析的。
显然,传感器层就是智能系统的输入了。
它就像智能系统的眼睛和耳朵,能够感受外部环境的变化,并把这些变化转化成电学信号,传递给智能系统的大脑--中央处理器,进行分析和处理。
在照明控制领域,我们关心的传感器主要有:
光敏传感器,采集自然光的亮度信息;人体传感器,检测灯具附近是否有人的存在;温度传感器,采集外部环境的温度信息;还有对系统工作时的电流电压等数据的采集和分析。
协议层
没有规矩不成方圆。
要实现智能照明系统的内部各个模块间的有序协调工作,必须有一套完善的“规章制度”,用来传达指令和执行操作。
这套制度就是智能系统的协议。
在目前的照明行业中,有两套比较成熟的协议,一是照明通信中的DALI(DigitalAddressableLighTIngInteRFace数字可寻址照明接口)协议,另一是实现RGB色彩控制的DMX512协议。
遗憾的是,这两套协议都不是为LED照明量身定做的。
对于LED照明控制相关协议的研究,现在也是一个热点,国际上还没有统一的标准。
这对我们来说,也许是个机遇!
通信层
在电子信息领域,协议的传输,是以通信技术为载体来实现的。
LED照明中通信,主要有三种方式:
总线方式、电力线载波方式和无线射频方式。
总线方式,以其技术成熟,可靠性高,组网简单,成本适中等优点,是目前应用最多的通信手段,如RS485总线。
电力线载波方式,是通过交流电网来传递协议,免去了重复布线的成本,应该说是一种优秀的通信手段。
但是,它对电网的质量要求很高,鉴于目前我国电网的谐波污染很严重,这种方式是否适合我国国情,还有待考证。
无线射频方式,现在最热门的技术是ZigBee.它是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术。
操作层
这个层次实现了用户和系统的信息交互。
对于人机交互软件的设计,操作简单,界面友好,便于维护和升级,应该是首要考虑的因素。
按照应用的场合不同,交互软件可分为两大类:
一类运行于嵌入式系统;另一类运行于PC机。
系统实现层
在这个层次,我们是对控制系统做全局的分析和设计,利用前面7个层次的研究成果,完成整个系统的搭建。
也就是说,这个层次的设计是以前面7个层次为基础的,是对前7个层次研究成果的综合。
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