新型隧道LED灯照明系统无级调光控制方式

2012-10-06杨天冲秦大为张苏东

灯与照明 2012年4期

关键词：调光限流灯具

杨天冲，秦大为，张苏东

(1.福州市政工程管理处，福州 350000;2.盐城师范学院实验中心，盐城224002;3.盐城师范学院物理与电子科学学院，盐城 224002）

0 引言

公路隧道照明的目的在于保证车辆舒适、安全地穿越隧道，因此公路隧道照明的基本要求是根据外部环境，提供与之相适应的照明，以满足人眼的适应曲线，公路隧道照明控制的一般原理如图1所示。

图1 公路隧道照明控制一般原理框图

国际照明委员会(CIE）将隧道照明定义为接近段、入口段、中间段、出口段四个照明段，其中隧道入口照明分为阈值段、过渡段，阈值段是为了消除“黑洞”现象，让驾驶人员能在洞口辨认障碍物(标准高20 cm）。为了避免阈值段照明与隧道内照明之间的强烈变化，设置过渡段照明，将隧道内照明水平逐渐下降，以达到隧道内基本照明亮度隧道照明的亮度递减曲线如图2所示。

公路隧道照明调光控制是满足不同亮度环境、交通环境下的照明要求，实现隧道内各区段照明亮度平滑过渡，从而达到既满足隧道的照明亮度要求，保证行车安全，又节省能源的目的。

图2 公路隧道照明的亮度递减曲线示意图

目前公路隧道内使用的灯具主要有:荧光灯、高压钠灯、金卤灯、LED灯等。荧光灯可实现无级调光，但其光效较低，调光时易产生高次谐波，对电网造成干扰;高压钠灯、金卤灯调光幅度很小，一般不在无级调光系统中应用;随着科学技术的发展，LED灯开始进入公路隧道照明领域，一种采用LED灯无级调光控制的隧道照明系统应运而生，它的出现，使得公路隧道照明质量与节能又向前迈进了一大步。本文针对LED灯无级调光控制系统中应考虑的问题及解决方案作初步研究。

1 LED灯调光控制模式

目前，LED灯调光控制模式主要有以下三种调光控制模式。

无极调节方式:通过控制LED灯电源的输出电流，调节LED灯的亮度，可实现256级亮度调节。

灯管阵列控制:通过关闭或点亮LED灯具中某一列或多列灯管调节亮度，调节级数与灯具中控制阵列数相关。

灯群组控制:通过灯具地址编码，可实现关闭或点亮奇数灯具，关闭或点亮偶数灯具，关闭或者点亮所有灯具，实现亮度调节。

灯管阵列控制和灯群组控制，其控制原理决定了其亮度调节分级受到一定数量限制，可应用于对亮度调节分级不多的LED照明控制工程中。无极调节方式可实现256级调光，调光级数多、范围大，可应用于对亮度调节级数要求较多的LED照明控制工程中。灯管阵列控制、灯群组控制由于分级层数较少，不易实现隧道内照明的平滑过渡，不能有效遏止隧道照明的电能浪费。因此，本文主要介绍无级调节方式。

2 LED灯无级调光控制方式

2.1 电压控制电流源(VCCS）亮度控制方式(模拟信号控制电流平均值模式）

模拟信号控制电流平均值模式就是利用直流信号电压来控制输出电流平均值变化的一种输出电流可控电源(如图3所示）。它直接将电流信号取样后经隔离放大控制电源初级开关管的占空系数，隔离变压器将不同占空系数的电能隔离后转换为直流脉冲电流，经低通滤波器滤波后转换为大小随控制信号变化的直流电流，从而控制电源的输出电流。该电源的损耗主要包括初级损耗、变压器损耗和次级整流、滤波损耗，电源效率相对较高，加入PFC(Power Factor-Correction）后一般效率在85%左右。目前这种亮度控制方式已在部分公路隧道LED灯照明无级调光控制中得以应用。

图3 一次性恒流的可控恒流源原理图

2.2 脉冲宽度调制(PWM）亮度控制方式(PWM模式）

PWM模式的LED亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过限流电阻或电感限流后，再通过PWM方式控制晶体管在单位周期内的导通时间来控制流过LED的电流，从而达到控制LED亮度的目的。该电源的损耗主要包括初级损耗、变压器损耗、次级整流、滤波损耗、限流电阻或电感和续流二极管损耗和工作于开关状态的晶体管损耗。与前一种相比，电源效率较低，加入PFC后一般效率在75%左右。

在PWM模式调光中，LED正向电流以减少的占空比在0%至100%间转换，以进行亮度控制。然而，PWM模式调光信号的频率一般应大于1 kHz，以免出现闪烁或抖动。为尽可能降低闪烁或抖动，高端照明系统的调光频率范围一般要求达到几万赫兹。但更高的调光频率将大幅缩小驱动的调光范围，进而降低系统的最大亮度。高频PWM模式调光主要有固定频率、时间延迟磁滞控制和固定导通时间的降压式LED调光方式，根据大量制造商对三种不同配置的性能实验数据，采用带磁滞降压LED驱动器的并行调光方案在高调光频率具有很宽的调光范围。固定导通时间LED驱动器是固定频率操作和磁滞控制之间的一个较好的平衡，采用这种驱动器进行并行调光也可以在高调光频率下获得大的调光范围。

2.3 采用电阻和晶体管限流亮度控制方式(限流模式）

采用限流模式的LED亮度控制方式是利用直流稳压电源先输出恒定电压，然后经过限流电阻限流后，再通过工作于放大区的晶体管来控制流过LED的电流，从而达到控制LED亮度的目的。该电源的损耗主要包括初级损耗、变压器损耗、次级整流、滤波损耗、限流电阻损耗和工作于放大区的晶体管损耗;与前两种相比，电源效率最低，加入PFC后一般效率在70%以下。这一亮度控制方式电源能耗损失较大，多用于对能耗要求不高的灯饰亮化场所，且更多地用于小功率LED的亮度控制。

3 控制信号传输方式

3.1 采用DC 0～5 V模拟电压信号进行传输

这种传输方式的优点是控制线路简单，控制信号传输距离远;为了确保DC 0～5 V的模拟电压控制信号有足够的传输距离，LED驱动电源设计时，可通过将LED驱动电源设计成电压控制电流源形式，控制输入端为高输入阻抗，以确保控制信号的长距离传输。根据测试结果，控制输入端的输入阻抗高达108 Ω及以上，每盏灯在5 V控制电压时的控制电流为5×10－8A，在长距离传输时电缆首尾压降可控制在一个较小值的范围。以一条隧道需同时控制5000盏灯为例，若始末端灯具的控制电压降不得大于0.05 V(偏差≤1%），则系统的控制距离计算如下:

式中:S为可同步控制灯具亮度的距离，单位为km;N为灯具数量，按5000盏计算;Ic为控制输入端在5 V时的控制电流，取5×10－8A;R为1.5平方控制线每公里的线阻，为11.694 Ω/km;ΔV为控制线上允许的最大电压降，取0.05 V。

由此计算出系统可同步控制的距离为

这表明采用DC 0～5 V的模拟电压信号进行传输去控制LED灯具，可实现较长距离道路和隧道照明的控制需求。

3.2 采用数字信号进行传输

采用数字信号传输方式传输控制信号可采用RS－485或DMX512通讯协议，将控制信号送至相应灯具的电源内，再由解码芯片解码后转换为脉冲宽度调制信号或经D/A转换成模拟信号，去控制LED回路中开关三极管的导通时间或限流三极管的基极电流，从而达到控制LED驱动电流之目的。它们的优点是控制方式灵活，可实现中控室与每盏灯具之间的相互通讯，从而可让中控室随时了解每盏灯具的工作状态。目前在灯饰亮化场所，这种信号传输方式已得到广泛的应用，但这种通讯方式的缺点是传输距离短，信号易受干扰，终端接点的数量有限。如果要求中控室能够了解每盏灯具的工作状态，理论上RS－485最多可控制128盏灯，DMX512最多可控制512盏灯。

RS－485或DMX512通讯协议理论上的传输距离均可达1200 m，但在实际使用过程中，为了确保系统通讯的可靠性，通常不大于250 m;当控制线路距离大于250 m时，需添加中继器。考虑到通讯的可靠性，在公路隧道内中继器的级联数量一般不应超过2个。根据试验数据，采用数字通讯方式传送控制信号，为保证照明调光系统可靠，每通道传输距离应控制在750 m以内。

采用微波通讯的方式传输控制信号。由于微波在狭窄的隧道内传输时，会受到隧道壁以及隧道内众多机电设备、汽车的反射，造成接收端真假信号难以甄别，从而容易导致控制失灵。

电力载波通讯方式传输控制信号。由于通讯回路中负载众多且较为集中，灯具中PFC的脉冲信号会对动力线造成一定的高频污染。对于亮度可控型灯具，在30%以下功率使用时PFC将失去作用，谐波会相对增大，从而严重干扰信号传输，谐波干扰是影响低压电力载波通讯发展的重要因素。

3.3 同种规格灯具的互换性

采用RS－485或DMX512通讯协议传输控制信号，要求每盏灯具内要有相应的地址代码，至少应确保隧道加强照明和基本照明的地址不同，以便于分别控制其灯具功率。如果要求各段分别控制，则通常需要5～6种地址代码，这种为灯具编码的方式会使灯具的互换性下降，同时给灯具的运营维护带来一定困难。

采用DC 0～5 V的模拟电压信号来传输控制信号，对灯具编址等没有要求，可对不同规格的灯具同时实现调光。

4 无级调光控制方式的性能比较

无级调光控制方式的性能比较主要应从调光范围、电源效率、信号传输性能三个方面进行考核。

1）调光范围:在电源的调光方面，最重要的两项指标是调光范围和电源效率。上述三种调光方式在5%～100%的功率范围内均连续可调。

2）电源效率:在电源效率方面，采用模拟信号控制电流平均值模式的LED亮度控制方式效率最高，为85%;PWM亮度控制方式、限流模式的LED亮度控制方式，电源效率均较低，一般小于75%。

3）信号传输性能:采用DC 0～5 V的模拟电压信号进行传输，可控制5000盏以上LED灯具，其传输信号有效控制距离可达17 km。采用数字信号进行传输，RS－485可控制384盏LED灯，其传输信号有效控制距离为750 m;DMX512可控制1536盏LED灯，其传输信号有效控制距离可达为750 m。

采用DC 0～5 V的模拟电压信号，LED灯具的互换性高;采用数字信号进行传输，灯具的互换性较差。