太阳能半导体照明驱动技术研究(1)
日期：2010-11-29 22:09:29 点击：
来源：网络
作者： 未知
来源：网络
作者： 未知
点击【 大 中 小 】放大字体.
引言
发光二极管(LED)是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件,具有节能、环保、长寿命、免维护等优点,近十年来在电子仪器仪表、汽车、交通信号指示、电子显示屏、城市景观照明等方面得到了广泛的应用。由于LED是使用直流电流,且工作电压较低,当利用常规供电系统(交流电,220V,380V等)作为LED的电源时,必须先将电源转换成低压、直流电才能使用,这不仅增加了照明系统成本,同时又降低了能源的利用率。太阳能半导体照明是利用太阳能电池提供电源和LED作为光源的组合,太阳能电池是直接将光能转化为直流电能的,且太阳能电池组件可以通过串、并联的方式任意组合,得到实际需要的电压。这些特点恰恰是与LED匹配而传统供电系统所无法比拟的。如果将太阳能电池与LED结合,将无须任何的逆变装置进行交、直流转换,因此太阳能半导体照明系统将获得很高的能源利用率、安全性和可靠性。现在常见的太阳能照明半导体系统有太阳能草坪灯、太阳能信号灯和太阳能半导体路灯等,以及太阳能室内半导体照明系统。
图1 太阳能半导体照明系统结构图
1、太阳能半导体照明系统工作模式
太阳能半导体照明系统如图1所示,由太阳能电池组件,控制器,蓄电池,LED光源四部分组成。太阳能半导体照明系统的工作原理,是白天通过太阳能电池给蓄电池充电,供晚上或白天室内LED光源负载使用。
2、LED照明工作特性
随着半导体技术的发展,尤其是白光LED的开发成功,使得LED在照明领域中的应用成为可能,被认为是新一代主流照明光源。白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料,荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光,蓝光和黄光的混合物形成白光。目前调节LED亮度的方式有两种:(1)调节工作电流方式,除了红光LED随着电流的升高亮度会饱和外,一般其他LED的亮度都会随着其工作电流的增大而增大,因此可以通过调节LED的工作电流的方法在较大范围内控制LED的亮度;(2)脉宽调制(PWM)方式。LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒,适合于频繁开关以及高频运作的场合,因此可以方便地通过周期性的改变脉冲宽度,亦即控制占空比的方式来实现对LED亮度的调节,例如要将亮度减半,只需在50%的占空周期内提供电流就可以实现了。我们选择200～300Hz的开关频率来进行PWM亮度调节,这是因为人眼无法分辨超过40Hz的频率的变化,而太高的频率又会引起白光颜色发生移位和亮度调节非线性,从图2可以看出LED发出的白光是由蓝光和黄光混合而成,其色彩通常是由色彩坐标来进行定义,当LED的开关频率较高时(例如几十kHz),在用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化,这样将引起白光颜色发生移位。
图2 白光LED的相对波长对应的光强分布(实线)
以及人眼的相对光敏感性(虚线)曲线图
比较以上两种亮度调节方式,使用第二种方式更合适于半导体照明,原因是:1)在某个特定的正向电流下LED能显示出最纯的白光,随着工作电流偏离这个值,白光LED发出的光可能偏蓝或偏紫,因此通过改变LED工作电流的方式调节会使光的颜色发生偏移,而使用PWM控制方式则不会有这样的问题。2)现在通常使用的大功率白光LED都是工作在大电流下,因此其在工作时会产生大量的热量。随着工作温度的升高,LED器件的性能会降低,因此散热对LED器件工作性能影响很大,在使用PWM控制方式时其脉冲平均电流和直流电流大小相等的情况时,LED器件会有更低的温度,所以有更高的发光亮度。3)PWM方式使用控制电路实现起来也比较容易。
3、太阳能半导体照明驱动方式
图3 LED工作驱动方式
LED工作驱动方式主要有电阻限流和恒流源工作两种方式(如图3)。
(1)电阻限流驱动方式,如图3a所示,在蓄电池和LED通过串接一个电阻限流,这种方式是通常的LED驱动方式,广泛应用LED指示电路。(2)恒流源驱动方式,如图3b所示,是由DC2DC电路组成的恒流源驱动方式,通过对电流检测电阻Rs的两端电压进行检测,若检测到的电压偏离控制IC设定的参考电压,控制IC输出PWM控制信号的脉宽也将发生改变,控制开关管的开关占空比也就发生变化,而使检测电Rs上的电压保持在设定参考电压上。此时通过白光LED的电流是由参考电压值和电流感测电阻值来决定,可以通过对检测电阻Rs的改变来调整LED电流。
图4 1W大功率LED正向导通电流-电压曲线
图5 铅酸蓄电池的充放电曲线
比较两种驱动方式的优缺点,第二种方式更适合于太阳能半导体照明。电阻限流驱动方式虽然电路结构简单、可靠,然而使用在太阳能半导体照明中有它的明显不足。从图4,我们实测的美国Lumileds公司的Luxeon(1W)大功率LED正向导通电流-电压曲线,可以看出,当外加电压大于阀值电压218V后,发光二极管导通,工作电流随电压提高变化很快,同时LED的亮度随着通过LED的电流近似线性提高。太阳能光伏发电系统最常用的是铅酸蓄电池,如图5铅酸蓄电池充放电曲线所示,蓄电池充放电电压变化幅度很大。12V铅酸蓄电池接近满充时充电电压可以达到1415v,而在放电时,当放到充电状态(SOC)的80%时,放电电压接近1115V。若采用第一种方式,由于蓄电池充放电电压的变化会使LED灯具的亮度也发生很大的波动,而在使用第二种驱动方式时,能够使LED在PWM调制的恒流源下工作。对比两种驱动方式,由于太阳能半导体照明中一般使用大的工作电流驱动大功率LED,如果采用电阻限流方式的话,在电阻上消耗的能量也是非常大的,相对来说第二种方式将具有更高的工作效率。
4、太阳能半导体路灯控制器设计
图6 一种新型太阳能半导体路灯控制器电路原理图
根据太阳能半导体照明的特点,设计了一种新型的太阳能半导体路灯控制器。控制器能够实现对蓄电池充放电管理,防过充、放过放,其由微处理器电路、DC-DC升压电路、实时时钟电路、充放电保护电路、路灯开关电路等五部分组成。微处理器芯片采用的是PHILIPS的P87LPC768,它有4路10位脉宽调制器(PWM)通道和4路8位APD转换器通道,能够很好的实现我们设计的功能。微处理器通过其输入P输出P0、P1IPO口实现与其他各功能电路的连接,其APD输入口实现对蓄电池、太阳能电池板电压的采样测量,实现蓄电池的过充、过放保护,以及路灯光控开关;实时时钟电路通过串行总线SCL、SDA与微处理器的P1口连接实现读写功能;充电开关电路由一根控制线与微处理器的PWM端口相连接,当蓄电池电压达到设定值时,能够输出20kHZ的PWM脉冲调制信号,实现PWM控制脉冲充电,能够极大地提高了系统充电效率。放电开关电路也由一根控制线与微处理器P1口相连,由软件模拟波形输出控制信号,控制开关动作,它能够实现LED光源的亮度和功耗调节,例如:控制器能够控制,在天黑时到晚上12点,为建立了图6所示结构的太阳能半导体照明系统,并进行了实验测试。系统组成包括40Wp太阳电池组件,12V/40AH免维护铅酸蓄电池,一串8个1W大功率LED灯负载和我们设计的太阳能路灯控制器。该系统已经正常运行近三个月,一直都能够保证正常的开、关灯;在蓄电池的各种充电状态(SOC)下测试LED负载的工作电流都能保证恒定;对蓄电池的过充、过放电保护功能也能完好的实施,测试结果充分证实该型控制器的可靠性。
5、总结
本文对太阳能半导体照明驱动技术进行了研究,并且结合太阳能光伏系统应用特点和大功率照明LED的驱动特性,研制了一种新型的太阳能路灯控制器,不但能够实现对光伏系统中的蓄电池防过充、过放保护,而且还实现对LED灯具的亮度可控调节,实验和运行的结果表明,该型太阳能半导体路全功率输出,到12点以后为半功率输出,调整此时输出的波形占空比全功率输出的一半,适当降低LED光源的亮度,这样可提高能源的利用效率,减小系统配置和降低系统成本。
灯控制器具有稳定性和可靠性好的优点,并且能在免维护状态下长期运行,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] Mach R M, Mueller G O. White light emitting diodesfor illumination [J ].SPIE,2000, 3938:30～41.
[2] 庞蕴凡.视觉与照明[M].北京:中国铁道出版社,1993,3.
[3] Gerhard Scharf.Driving InGaN2Based LED in ParallelCircuits,OSRAM Opto Semiconductors ,November2001.
[4] Dave Kim.Tiny regulators drive white backlights. http://www.linear.com/pc/download.
[5] Standard and White LED Basics and Operation.http://www.maxim2ic.com/appnotes.cfm/appnote-number/3070.
[6] 金尚忠,张在宣等.白光LED 灯温度特性的研究[J ]发光学报,2002,23 (4):399～402.
[7] 周杭慈. PHILIPS 51LPS 系列单片机原理及应用设计[M].北京航空航天大学出版社,2001,5.
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
引言
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
发光二极管(LED)是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件,具有节能、环保、长寿命、免维护等优点,近十年来在电子仪器仪表、汽车、交通信号指示、电子显示屏、城市景观照明等方面得到了广泛的应用。由于LED是使用直流电流,且工作电压较低,当利用常规供电系统(交流电,220V,380V等)作为LED的电源时,必须先将电源转换成低压、直流电才能使用,这不仅增加了照明系统成本,同时又降低了能源的利用率。太阳能半导体照明是利用太阳能电池提供电源和LED作为光源的组合,太阳能电池是直接将光能转化为直流电能的,且太阳能电池组件可以通过串、并联的方式任意组合,得到实际需要的电压。这些特点恰恰是与LED匹配而传统供电系统所无法比拟的。如果将太阳能电池与LED结合,将无须任何的逆变装置进行交、直流转换,因此太阳能半导体照明系统将获得很高的能源利用率、安全性和可靠性。现在常见的太阳能照明半导体系统有太阳能草坪灯、太阳能信号灯和太阳能半导体路灯等,以及太阳能室内半导体照明系统。
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
图1 太阳能半导体照明系统结构图
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
1、太阳能半导体照明系统工作模式
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
太阳能半导体照明系统如图1所示,由太阳能电池组件,控制器,蓄电池,LED光源四部分组成。太阳能半导体照明系统的工作原理,是白天通过太阳能电池给蓄电池充电,供晚上或白天室内LED光源负载使用。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
2、LED照明工作特性
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
随着半导体技术的发展,尤其是白光LED的开发成功,使得LED在照明领域中的应用成为可能,被认为是新一代主流照明光源。白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料,荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光,蓝光和黄光的混合物形成白光。目前调节LED亮度的方式有两种:(1)调节工作电流方式,除了红光LED随着电流的升高亮度会饱和外,一般其他LED的亮度都会随着其工作电流的增大而增大,因此可以通过调节LED的工作电流的方法在较大范围内控制LED的亮度;(2)脉宽调制(PWM)方式。LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒,适合于频繁开关以及高频运作的场合,因此可以方便地通过周期性的改变脉冲宽度,亦即控制占空比的方式来实现对LED亮度的调节,例如要将亮度减半,只需在50%的占空周期内提供电流就可以实现了。我们选择200～300Hz的开关频率来进行PWM亮度调节,这是因为人眼无法分辨超过40Hz的频率的变化,而太高的频率又会引起白光颜色发生移位和亮度调节非线性,从图2可以看出LED发出的白光是由蓝光和黄光混合而成,其色彩通常是由色彩坐标来进行定义,当LED的开关频率较高时(例如几十kHz),在用来切换LED开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化,这样将引起白光颜色发生移位。
plcjs.技.术_网
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
图2 白光LED的相对波长对应的光强分布(实线)
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
以及人眼的相对光敏感性(虚线)曲线图
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
比较以上两种亮度调节方式,使用第二种方式更合适于半导体照明,原因是:1)在某个特定的正向电流下LED能显示出最纯的白光,随着工作电流偏离这个值,白光LED发出的光可能偏蓝或偏紫,因此通过改变LED工作电流的方式调节会使光的颜色发生偏移,而使用PWM控制方式则不会有这样的问题。2)现在通常使用的大功率白光LED都是工作在大电流下,因此其在工作时会产生大量的热量。随着工作温度的升高,LED器件的性能会降低,因此散热对LED器件工作性能影响很大,在使用PWM控制方式时其脉冲平均电流和直流电流大小相等的情况时,LED器件会有更低的温度,所以有更高的发光亮度。3)PWM方式使用控制电路实现起来也比较容易。
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
3、太阳能半导体照明驱动方式
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
图3 LED工作驱动方式
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
LED工作驱动方式主要有电阻限流和恒流源工作两种方式(如图3)。
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
(1)电阻限流驱动方式,如图3a所示,在蓄电池和LED通过串接一个电阻限流,这种方式是通常的LED驱动方式,广泛应用LED指示电路。(2)恒流源驱动方式,如图3b所示,是由DC2DC电路组成的恒流源驱动方式,通过对电流检测电阻Rs的两端电压进行检测,若检测到的电压偏离控制IC设定的参考电压,控制IC输出PWM控制信号的脉宽也将发生改变,控制开关管的开关占空比也就发生变化,而使检测电Rs上的电压保持在设定参考电压上。此时通过白光LED的电流是由参考电压值和电流感测电阻值来决定,可以通过对检测电阻Rs的改变来调整LED电流。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
图4 1W大功率LED正向导通电流-电压曲线
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
图5 铅酸蓄电池的充放电曲线
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
比较两种驱动方式的优缺点,第二种方式更适合于太阳能半导体照明。电阻限流驱动方式虽然电路结构简单、可靠,然而使用在太阳能半导体照明中有它的明显不足。从图4,我们实测的美国Lumileds公司的Luxeon(1W)大功率LED正向导通电流-电压曲线,可以看出,当外加电压大于阀值电压218V后,发光二极管导通,工作电流随电压提高变化很快,同时LED的亮度随着通过LED的电流近似线性提高。太阳能光伏发电系统最常用的是铅酸蓄电池,如图5铅酸蓄电池充放电曲线所示,蓄电池充放电电压变化幅度很大。12V铅酸蓄电池接近满充时充电电压可以达到1415v,而在放电时,当放到充电状态(SOC)的80%时,放电电压接近1115V。若采用第一种方式,由于蓄电池充放电电压的变化会使LED灯具的亮度也发生很大的波动,而在使用第二种驱动方式时,能够使LED在PWM调制的恒流源下工作。对比两种驱动方式,由于太阳能半导体照明中一般使用大的工作电流驱动大功率LED,如果采用电阻限流方式的话,在电阻上消耗的能量也是非常大的,相对来说第二种方式将具有更高的工作效率。
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
4、太阳能半导体路灯控制器设计
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
图6 一种新型太阳能半导体路灯控制器电路原理图
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
根据太阳能半导体照明的特点,设计了一种新型的太阳能半导体路灯控制器。控制器能够实现对蓄电池充放电管理,防过充、放过放,其由微处理器电路、DC-DC升压电路、实时时钟电路、充放电保护电路、路灯开关电路等五部分组成。微处理器芯片采用的是PHILIPS的P87LPC768,它有4路10位脉宽调制器(PWM)通道和4路8位APD转换器通道,能够很好的实现我们设计的功能。微处理器通过其输入P输出P0、P1IPO口实现与其他各功能电路的连接,其APD输入口实现对蓄电池、太阳能电池板电压的采样测量,实现蓄电池的过充、过放保护,以及路灯光控开关;实时时钟电路通过串行总线SCL、SDA与微处理器的P1口连接实现读写功能;充电开关电路由一根控制线与微处理器的PWM端口相连接,当蓄电池电压达到设定值时,能够输出20kHZ的PWM脉冲调制信号,实现PWM控制脉冲充电,能够极大地提高了系统充电效率。放电开关电路也由一根控制线与微处理器P1口相连,由软件模拟波形输出控制信号,控制开关动作,它能够实现LED光源的亮度和功耗调节,例如:控制器能够控制,在天黑时到晚上12点,为建立了图6所示结构的太阳能半导体照明系统,并进行了实验测试。系统组成包括40Wp太阳电池组件,12V/40AH免维护铅酸蓄电池,一串8个1W大功率LED灯负载和我们设计的太阳能路灯控制器。该系统已经正常运行近三个月,一直都能够保证正常的开、关灯;在蓄电池的各种充电状态(SOC)下测试LED负载的工作电流都能保证恒定;对蓄电池的过充、过放电保护功能也能完好的实施,测试结果充分证实该型控制器的可靠性。
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
5、总结
WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
本文对太阳能半导体照明驱动技术进行了研究,并且结合太阳能光伏系统应用特点和大功率照明LED的驱动特性,研制了一种新型的太阳能路灯控制器,不但能够实现对光伏系统中的蓄电池防过充、过放保护,而且还实现对LED灯具的亮度可控调节,实验和运行的结果表明,该型太阳能半导体路全功率输出,到12点以后为半功率输出,调整此时输出的波形占空比全功率输出的一半,适当降低LED光源的亮度,这样可提高能源的利用效率,减小系统配置和降低系统成本。
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
灯控制器具有稳定性和可靠性好的优点,并且能在免维护状态下长期运行,具有广阔的应用前景。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
参考文献
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
[1] Mach R M, Mueller G O. White light emitting diodesfor illumination [J ].SPIE,2000, 3938:30～41.
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
[2] 庞蕴凡.视觉与照明[M].北京:中国铁道出版社,1993,3.
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
[3] Gerhard Scharf.Driving InGaN2Based LED in ParallelCircuits,OSRAM Opto Semiconductors ,November2001.
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
[4] Dave Kim.Tiny regulators drive white backlights. http://www.linear.com/pc/download.
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
[5] Standard and White LED Basics and Operation.http://www.maxim2ic.com/appnotes.cfm/appnote-number/3070.
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
[6] 金尚忠,张在宣等.白光LED 灯温度特性的研究[J ]发光学报,2002,23 (4):399～402.
plcjs.技.术_网
[7] 周杭慈. PHILIPS 51LPS 系列单片机原理及应用设计[M].北京航空航天大学出版社,2001,5.
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
上一篇: 秦山核电站蒸汽发生器系统(1)下一篇: 浅析电厂火力发电机组热工保护系统可靠性完善(1)
评论内容
载入中...
载入中...
P
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
L
C
技
术
网
|
可
编
程
控
制
器
技
术
门
户
|
十
万
P
L
C
工
程
师
的
共
同
选
择
！
·最新招聘信息
·最新求职信息
·推荐产品
·推荐厂商
·栏目热门排行
·站内热门排行