|
與傳統的照明方式相比，LED照明有許多獨特的地方，主要表現在：從結構上看，傳統照明的光源和燈具是分離的，而LED照明在結構可以實現配光、散熱及燈具的一體化設計；從功能上看，只有少部分的傳統照明可以實現調光，而LED照明不僅能實現亮度的調節，還能實現色彩與色溫的調節。此外，LED照明比傳統照明方式更適合智能化與數字化的控制，組成復雜的照明系統。 基于LED照明的這些特性，大體可以給出了三種模型，分別針對LED的通用照明、LED照明的智能控制、LED照明與太陽能風能的結合設計，說明電子信息技術在LED照明中一些應用。 模型一：電源+光源 現代電光源的工作本質就是將電能轉化為光能，同時伴隨一定的散熱。所以，LED的通用照明模型中就只包括電源和光源兩部分。在這種模型下，只能實現照明的開關控制，不能實現照明的調光、通信、反饋等功能。 電源具體是指AC-DC恒流型開關電源。AC-DC是指交流到直流的轉換，因為LED實際上是一個半導體二極管，它是在直流電壓下工作的。LED還有一個特性就是其工作電流近似值是工作電壓的指數函數，電壓的微小波動就會引起電流的巨大變化，嚴重時會直接燒毀LED,所以要保證LED的安全工作，必須使其工作電流恒定。通常家用電器的電源都是恒壓的，LED的特性決定了它要采用恒流電源。為了提高LED工作的可靠性，我們一般要采用隔離型的開關電源，實現LED與市電電網的有效隔離。和開關電源相對應的，還有一類叫線性電源，現在已經很少使用了，因為開關電源在效率和體積上更占優勢。現在的開關電源技術，能將轉換效率做到85%甚至更高，功率因數0.95以上，總諧波在15%以內。這些指標也是我們選擇開關電源的基本要求。 光源就是LED芯片，這是LED照明的核心元件。除了工作電流、管壓降等電學參數外，我們更關心的是它的光學指標，如光通量、光效、色溫、顯色指數、光衰等等。LED的光學性能與其溫度密切相關，溫度的升高會引起光效降低、色溫漂移、壽命下降等問題，因此散熱技術在LED照明中尤為重要。熱力學知識告訴我們，物體的散熱只有三種方式：傳導、對流和輻射。由于LED芯片只是固定的發出某種波長的可見光，所以不存在紅外輻射散熱。在LED中，主要是傳導散熱，同時伴隨一定的對流散熱。減少LED的熱傳導環節和降低每個環節的熱阻，必要時采用強制風冷，都是散熱設計中的考慮因素。 模型二：電源+控制+光源 模型二比模型一多了一個控制模塊，這就大大豐富了LED照明的功能。如果說模型一只是一個照明產品，那么模型二可以說是一個照明系統了。由于加入了控制模塊，電源就變成恒壓型開關電源了，但是LED光源的工作還是需要恒流型電源，這部分（恒流驅動）我們放在控制模塊中一起實現了。下面，我們重點分析一下LED照明的控制系統。 LED照明的控制系統，可大可小，功能豐富。如：無線遙控調光系統、色溫可調照明系統、RGB調光調色系統、模擬日光照明系統、帶DALI協議的智能照明系統、基于ZigBee和GPRS的無線路燈控制系統等。透過現象看本質，所有這些照明控制系統，都是利用電子技術領域中的嵌入式技術、通信技術、傳感器技術、計算機技術以及電力電子技術等發展建立起來的。看似紛繁復雜化，其實有據可循。 為了理清脈絡，我們可以將LED照明控制系統分為8個層次，逐層闡述。如果我們能夠把每個層次的技術方案做好，那么任何復雜的控制系統我們都可以像“搭積木”一樣，輕松的實現。 LED照明控制系統的8個層次由底向上依次為：供電層、驅動層、光層、感器層、議層、信層、作層、統實現層。 供電層 供電層為整個控制系統提供高效穩定的直流電源。與LED光源工作需要的恒流電源不同，控制系統的工作需要的是恒壓電源。供電層的電源獲得有兩個途徑：一是從LED照明燈具上的恒壓電源上獲取，這是一個DC-DC（直流到直流）轉換，因為燈具上的恒壓電源的電壓通常很高，而控制系統的電壓很低，所以要做一個從直流到直流的降壓轉換；二是從交流市電獲取，這是一個AC-DC（交流到直流）轉換，為了安全，通常也要做成隔離型的開關電源，因為控制系統的功耗通常很低，所以這里的恒壓電源對轉換效率的要求就不是很高。 驅動層 前面提到，模型二中電源部分是恒壓源，而LED光源的工作需要恒流源，因此，在控制系統中要有一個恒流驅動模塊，為LED光源的正常工作提供恒流源。在恒流驅動的設計上，一般是采用專用的驅動芯片，并配合一定的外圍電路。 驅動芯片的輸出端通常是帶有一串LED,輸出的恒定電流就是LED的工作電流。輸出的電壓范圍越高，可帶的LED數量就越多。也有例外的情況，輸出端要并聯多串LED,這時，我們要給每串LED串聯一個小電阻來實現電流的分流。驅動芯片一般還有一個PWM（脈沖寬度調制）的端口，用于實現調光控制，這是實現智能照明的基礎。恒流驅動方案的優劣，直接關系到LED照明的可靠性和使用壽命。因此，對LED驅動技術的研究，尤為重要。 調光層 LED照明之所以容易實現智能控制，是因為它容易實現調光控制。所有智能化功能的體現，都是通過調光功能實現的。對于LED照明調光的理解，不能只限于調節光的亮度，還包括對LED色溫和色彩的調節。這也正是LED照明能夠顛覆傳統照明的一個主要因素。調光技術的實現方式，有模擬和數字兩種。其中，數字調光主要是通過PWM（脈沖寬度調制）技術實現的，它是現在LED調光方案的主要手段。PWM信號可以通過對微控制器的編程實現，產生不同的占空比，從而實現LED照明的調光。設計一款LED“三調”（亮度、色溫、色彩）功能的集成方案，是這個層次的研究重心。 傳感器層 前面講到的驅動層和調光層，是從系統輸出的角度分析的。顯然，傳感器層就是智能系統的輸入了。它就像智能系統的眼睛和耳朵，能夠感受外部環境的變化，并把這些變化轉化成電學信號，傳遞給智能系統的大腦--中央處理器，進行分析和處理。在照明控制領域，我們關心的傳感器主要有：光敏傳感器，采集自然光的亮度信息；人體傳感器，檢測燈具附近是否有人的存在；溫度傳感器，采集外部環境的溫度信息；還有對系統工作時的電流電壓等數據的采集和分析。 協議層 沒有規矩不成方圓。要實現智能照明系統的內部各個模塊間的有序協調工作，必須有一套完善的“規章制度”,用來傳達指令和執行操作。這套制度就是智能系統的協議。在目前的照明行業中，有兩套比較成熟的協議，一是照明通信中的DALI（DigitalAddressableLightingInterface數字可尋址照明接口）協議，另一是實現RGB色彩控制的DMX512協議。遺憾的是，這兩套協議都不是為LED照明量身定做的。對于LED照明控制相關協議的研究，現在也是一個熱點，國際上還沒有統一的標準。這對我們來說，也許是個機遇！ 通信層 在電子信息領域，協議的傳輸，是以通信技術為載體來實現的。LED照明中通信，主要有三種方式：總線方式、電力線載波方式和無線射頻方式。總線方式，以其技術成熟，可靠性高，組網簡單，成本適中等優點，是目前應用最多的通信手段，如RS485總線。電力線載波方式，是通過交流電網來傳遞協議，免去了重復布線的成本，應該說是一種優秀的通信手段。但是，它對電網的質量要求很高，鑒于目前我國電網的諧波污染很嚴重，這種方式是否適合我國國情，還有待考證。無線射頻方式，現在最熱門的技術是ZigBee.它是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術。 操作層 這個層次實現了用戶和系統的信息交互。對于人機交互軟件的設計，操作簡單，界面友好，便于維護和升級，應該是首要考慮的因素。按照應用的場合不同，交互軟件可分為兩大類：一類運行于嵌入式系統；另一類運行于PC機。 系統實現層 在這個層次，我們是對控制系統做全局的分析和設計，利用前面7個層次的研究成果，完成整個系統的搭建。也就是說，這個層次的設計是以前面7個層次為基礎的，是對前7個層次研究成果的綜合。 |
