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太阳能半导体照明驱动技术研究(1)

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2010/11/4 9:45:31   

  所属频道:  火力发电    关键词:  太阳能 半导体照明 驱动技术研究

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)。
  
  

来源:照明工程学报
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