浅析发光二极管道路照明电路设计与应用实现

（武夷学院 实验室管理中心,福建 武夷山 354300）

随着建设资源节约型、环境友好型社会的提出，发光二极管（LED）照明作为新兴节能光源逐渐应用到路灯上，并以其优良的性能和广阔的发展前景渐渐体现出取代被誉为第三代路灯照明光源——高压钠灯的趋势。因此，发光二极管道路照明技术的研究对照明节能设计具有重要的现实意义，本文将结合CAT4101芯片特点和应用实际对发光二极管道路照明电路设计及相关特性进行浅析。

1 发光二极管（LED）特性分析

发光二极管（LED）作为一种特殊的二极管，具有同普通二极管相似的伏安特性，通常是利用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，比如砷化镓、磷化镓等制成[1]。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，管子通以电流时半导体中的电子和空穴直接复合，放出过剩能量，从而引起光子的发射。

1.1 LED路灯节能环保

普通灯泡发光一般是由电能转换能热能再转换成光能，转换效率仅为12%。LED作为一种半导体固体发光器件，由电子移动复合释放能量发光，转换效率可以达到68%。在同样照明效果下，LED的耗电仅相当于普通灯泡的1/10。

LED 路灯使用寿命可以长达 50×103～100×103h，比普通灯泡延长大约100倍。同时，LED运用的是冷光源，眩光少、无辐射，在使用过程中不会产生有害物质，而且废弃物可回收，没有污染，具有其他光源无可比拟的节能环保优势。

1.2 LED路灯控制灵活

LED路灯作为数字化可调光源，可以进行0～100%连续调光，根据道路照明光环境多样性灵活调整光输出，实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功耗。LED路灯可以快速控制响应，利用连续调光可以实现对道路照明进行动态管理。

传统的高压钠灯属于高压气体放电灯，从灯泡启动到正常亮度的时间一般长达3～10min。LED作为半导体固体器件，可以实现瞬时启动，在连续开关闪断的状态下正常工作。

1.3 LED路灯景观一体

LED路灯一般为模块化设计，结构轻质，体积小巧，能够适应多种几何尺寸和不同的空间大小。因此，灯具可以设计制作得非常小巧美观，适合安装在任何建筑结构上而不影响其外观整体美感，易于对景观大道、立交桥等的路灯进行外观造型设计。

LED光源耐冲击、抗震动，适合在桥梁、隧道内安装，相对于传统的高压钠灯，LED照明设计具有明显的优势。

1.4 LED路灯显色性高

目前，大功率LED路灯一般都是采用蓝光LED激发YAG荧光粉来获得白光的。传统的高压钠灯经济节能、透雾性强，但其色彩还原能力差，显色指数只有23左右。LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，显色指数可以达到75以上，完全符合城市道路照明要求。

另外，LED光色纯真，随LED芯片配料不同的关系，显色指数、色温均可变。道路照明设计可以根据不同应用场所的设计要求选择相应的显色指数和色温要求。

2 发光二极管（LED）驱动电源

LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电压转换器。目前，LED驱动电源还没有统一的标准，各式各样的驱动电源在市场上频频出现，进而导致LED驱动电源故障层出不穷。根据电网用电规则和LED特性要求，在选择和设计LED驱动电源时要重点考虑以下几个方面：

2.1 LED驱动电源设计思路

目前，LED驱动电源设计一般采用恒流式驱动。恒流驱动电路输出的电流是恒定的，有效避免电流随电压变化而改变，恒定电流可以保持LED亮度稳定。LED光通量与温度成反比，因此使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统，降低结温并控制在一定范围内，延长LED路灯使用寿命。

2.2 LED驱动电源设计要点

①可靠性

LED电源和驱动的设计，是保证LED路灯寿命更长的关键核心技术。尤其是LED路灯安装在高空，维修不方便，维修费用也大。

②高效率

LED路灯具有节能环保优势，其驱动电源的效率要高。因为电源的效率高，降低了其在灯内散发的热量，对延缓LED光衰有利。

③恒流驱动

目前通行的恒流驱动有两种：一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电；直接恒流供电，LED串联或并联运行。

④浪涌保护

LED路灯装在户外，由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

⑤维护可行

由于尘土、鸟粪的积累使得散热器的散热效率随时间而降低，电源故障不可能完全避免，只有把电源的更换做得简便时，才具备把维护任务交给路灯管理单位的可能。

3 发光二极管（LED）电路设计

3.1 CAT4101芯片模块分析

CAT4101是一款线性恒流LED驱动器，可以驱动大量LED串联的LED串，并提供大电流驱动能力，是各式LED应用的良好选择[2]。

CAT4101不需要使用外部电感，在实际应用中减少了器件数量，简化了设计，还可以消除由电感产生的杂讯。LED电流通过一个连接到REST引脚的外部电阻设置，该引脚兼容高达25V高电压，使得CAT4101可驱动多至10个一组的LED串，电流可调整为1A。该器件提供高速高分辨率的PWM调光功能，还包括“即时亮”型的PWM控制模式和过热自动关机保护功能。CAT4101采用5引脚TO-263封装，它具备优异的散热性能。

3.2 NE555芯片模块分析

NE555集成电路是8脚封装，其中6脚为阈值端（TH），是上比较器的输入；2 脚称触发端（TR），是下比较器的输入；3脚是输出端（Vo），它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（MR），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（Vc）,可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。

3.3 LED电路设计原理图

7805作为供电芯片，为NE555和CAT4101提供稳定电压，NE555及其外围元件组成模块为CAT4101提供脉宽调制信号。其中，PWM信号从CAT4101中1脚输入，2脚接稳定电压，3脚接地，调节电阻R2阻值可以实现LED组电流I大小改变。

4 LED电路设计应用分析

PWM（脉宽调制）技术是一种传统的调光方式，它利用简单的开关信号，反复开关LED驱动器，系统只需要提供宽、窄不同的占空比，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。

目前，大部分设计采用PWM调光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是与平均驱动电流的大小成比例，光源愈是精密，需要采用PWM调光的机会就愈大。

表1 、LED电流随REST电阻变化关系

CAT4101可以精确调节LED组的电流，并且该电流随着REST电阻大小变化而改变，因此采用PWM调光方式可以对LED道路照明进行动态智能化管理，实现公共照明的间接节电。

5 结束语

国家和社会对资源节约和环境保护提出了新的要求，并伴随着发光二极管（LED）技术的快速发展，LED道路照明具有广阔的应用前景和发展空间。但是，目前LED路灯从应用的角度主要还存在灯具二次配光设计、散热设计和电源驱动设计三大技术瓶颈，对LED道路照明光源的设计进行改进和优化，对今后LED道路照明光源大范围的推广和应用都具有积极的意义。

[1] 杨光.大功率发光二极管道路照明光源调光方案的研究[J].光源与照明，2011（2）.

[2] 陈宣平，刘韵梅.发光二极管路灯的应用分析[J].光源与照明，2011（2）.