led照明路灯技巧调研资料

LED照明路灯技术调研1LED灯具的基本组成部分1.LED芯片（灯珠）--------发光2.LED透镜--------改变光的方向，打出特殊的光学效果3.灯板——―——LED的载体4.驱动（电源）---------------使LED发光（发动机）5.灯体壳-------------美观，防水防尘，散热6.分控器--------------控制灯的变化方式2LED灯具外观3什么是LEDLED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合,放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管4LED的伏安特性0A段：正向死区VA为开启LED发光的电压。比如红色（黄色）LED的开启电压一般为0.2〜0.25V。AB段：工作区在;2—区段，一般是随着电压増加电流也跟着増加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特別注意，如果不加任何保护，当正向电压増加到一定值后，SP么LED的正向电压会减小,而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流増大而烧坏发光二极管。OC段：反向死区LED加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。这个反向电流很小,-般抓MA之内CD段：反向击穿区LED的反向电压一般不要超过10V,最大不得超过15V,否则就会出现反向击穿，导致LED报废LED伏安特性曲线5LED的基本特性(1)单向导电；(2)LED有门限电压。_____LED的门限电压和正常工作时的正向压降与LED的光色有关；(3)具有非线性的伏安特性曲线，电流与电压不成正比;(4)LED光通量随电流増大而増加，但不成正比；(5)对温度敏感，结温升高时，光输出减少f正向电压降低；6LED为什么要使用恒流源LED的伏安特性并不是固定的，是随着温度而变化的，所以在恒压供电时，LED电流随温度变化而变化，因为LED的伏安特性具有负温度系数的特点。温度系数通常是-2mV/度(-1.5—2.5mV/°C)，也就是随着温度的升高，其伏安特性左移，假如所加的电压为恒定，那么显然电流会増加。而LED本身的效率很低，温升很高，加电以后,假如散热不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mAf而温度升高到85度时，电流就会增加至lj35-37mA,而其亮度并不増加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。而且如果不用恒流源而用恒压源供电时，常温下工作在20mA时,到了-40度时,电流就会降低至8-10mA,亮度会降低。可以说，除了散热问题以外，采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因。所以原则上来说,LED是禁止采用恒压电源供电的。7LED灯的优点1.体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，它非常的小和轻。2.耗电量低LED单颗灯珠的耗电低,一般来说LED灯珠的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：单颗灯珠消耗的电能不超过0.1W。一个10〜12瓦的LED光源发出的光能与一个35~150瓦的白炽灯发出的光能相当。3.使用寿命长在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时，目前平均寿命在2万-5万小时。4.高亮度、低热量LED使用冷发光技术,发热量比普通照明灯具低很多。5.环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。6.坚固耐用LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。8LED灯的缺点1、价格高目前国内市场来讲，价格还太高，多数的老百姓还消费不起。2、LED节能灯光效仍然不高现在LED节能光效普遍在60-70lm/W,作为新一代的光源，LED节能灯光效如果能达到120lm/W以上，到那时才是LED灯具的春天。3、散热难需要相对应的散热器，在LED芯片本身发热量没有大的改善情况下，需要在散热器的结构,热管技术的应用上,进一步的发展，散热结构较占成本。4、电源弱电源是LED灯具最薄弱的环节，严重滞后LED灯具发展，品质有待提高。现在设计占灯具成本的20%左右，有些高,随着技术发展电源大概在5-10%最为合理。5、散热指数不高___大部分LED节能灯显色指数没有过80,相比节能灯,还有差距。6、LED灯长时间工作会光衰引起老化9LED常用术语•1、波长：光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。单位:纳米（nm）2、亮度：亮度是指物体明喑的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：尼特（nit）3、光强：指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位：烛光（cd）4、光通量:光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位：流明（Lm）5、光效：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位:每瓦流明（Lm/w）o6、显色性:光源对物体呈现的程度,也就是颜色的逼真程度。通常叫做"显色指数"单位：Rao7、色温:光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。单位：开尔文（k）。8、眩光:视野内有亮度极高的强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。。10几种主要光源的性能比较项目白炽灯荧光灯咼压汞灯咼压钠灯LED发光效率lm/w151005012050-100寿命Kh28-106-2020>20显色指数9980452370-80驱动电路简单中复杂复杂中安全性-般-般差差高可靠性差差-般-般高调光性能好差差差很好方向性差很差差差好环保性-般汞污染汞污染汞污染好价格很低-般-般-般很咼11LED灯泡与其它灯泡成本的差异分析类別电压(V)耗电量(W)光通量(Im)发光效率(Im/W)寿命(hour)白炽灯泡24040470151,000节能灯(CFL)24011627608,000LED灯泡2405350-400~8050,00012亮度与节能类别同等光效下，替换标准白炽灯泡15W25W40W75W100W节能管(CFL)3W8W11W15W20WLED灯泡1W3W4W8W12W13LED踣灯长时间光衰的问题引起光衰的原因主要有以下几点:1、LED灯珠芯片的封装工艺不同，老化敏感度不同2、LED光源工作情况酿3、LED路灯的外壳（导热情况）至于LED灯珠工作多长时间引起开$台引起光衰效应，并没有具体的经验值，引起光衰的主要原因是LED芯片对温度的反映情况，目前，对灯珠的光衰测试一般是以1000个小时为单位。14LED路灯照明应用设计关键技术三项关键技术:1、光学设计:提高灯具效率2、散热设计:提高光效、降低光衰、延长寿命3、驱动器（电源）设计:提高整体效率与使用寿命15光学设计无二次光学设计圆形照明亮斑利用效率低16光学设计路面光斑形状矩形亮区契合道路走向照度均匀合理分配能量合理的光斑形状：亮度均匀的矩形光斑17散热设计100%80%60%40%20%JunctionTemperature(flC)125i_oionoooTime(hoiirt)1.Q0Q.W光输出的温度敏感性：~0.4%/°C寿命的温度敏感性：CREE公司的LED（右上图）:当温度超过65度后，每上升10<,寿命减少一半！！LUMILED公司的LED:当温度超过115度后，每上升12°C,寿命减少一半！!每个公司的LED临界温度参数不尽相同，但超过阈值之后，每超过一定度数，寿命减半的趋势都差不多。120%103———•—InHnoouleEoloqde>lelo>o:18散热设计散热方案＞热管技术热管散热应当是所有散热方式中热量导散效率较高的,但由于热管散热器的方向性方位局限和LED灯具的结构特殊性，使热管散热在LED散热方面结构很难成型，不但外观难看，而且成本高,且存在防水防尘等防护问题，目前使用较少。＞风冷技术散热效率高，但风扇也消耗能量，且易坏，目前LED灯中使用不多。＞自然散热依靠依靠散热器传导散热，效率最低，但考虑到价格,能耗等综合来看，效果最优。目前,自然散热是LED路灯中最主要的散热方案，如何有效的利用散热器疏散热量，设计合理的散热结构是各个公司的重点研究方向。-般说来，普通散热器自然要选择金属作为散热器的材料。对所选用的材料，希望其同时具有高比热和高热传导系数，银和铜是最好的导热材料，其次是金和铝。但是金、银太过昂贵，所以，目前散热器主要由铝和铜制成。相比较而言，铜和铝合金二者同时各有其优缺点:铜的导热注好,但价格较贵，加工难度较高f重量过大,且铜制散热器热容量较小,而且容易氧化。另一方面纯铝太软，不能直接使用,都是使用的铝合金才能提供足够的硬度f铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。19热管技术热管的原理利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外。带热管导热LED灯具的结构形式20带热管导热的LED灯具的特点1.热管只是増加热传导速率，但不具备散热能力。2.热管+散热片+足够的散热面积+足够的与空气对流的环境，才能解决LED散热问题。从灯具光源发出的热量通过热管传递到散热片上，热管可以增加热传导速率（热管本身不具备散热能力）,但是热量传递到散热片上后，还需要散热片有足够的散热面积和足够的与空气对流的环境，如果上述条件满足不了，则系统热平衡后，LED散热问题依然存在。21驱动电源设计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，通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流（即市电）、低压直流（电池,低压电源）、高压直流（高压电源）、低压高频交流（如电子变压器的输出）等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。现在通行的有两种：1、4恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，-路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高_点。__2、一个直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。•AC/DC单级恒流驱动（效率较高）•AC/DC电源模块+DC/DC（开关电源）恒流驱动模块（通用性较强）22LED电源技术开关DCTDCBwkP电瀘博定一‘与电仔无关*‘荽麼珥‘电逾＞5⑽mA*4-_漥琀盘壹5fc—±1^‘成本较笃一‘应用线a较矍杂p*•电罎干执＜EMI)Aiec^线性妞JLDO，S子设‘无电遢齄容P‘珥外塞设定电藏p‘K供政渣及过滅保护P•U效荸中微^4有沩車耗•一‘成本中箕，I电道＜500mAPCCR^‘成本较悵1累子设计*‘无筅外部本件4-喊少蜮済酴LED分档铨珥‘宽电择•入p‘效華中p4承动》芯片会产生一定納热‘电邃＜20❶mAW4悻逾传^±IOM—±19(^▲rt本®慑一‘«计苗单，‘无电罎电瀘会入电仔及S兑电任CVD的不同W®金芸虔一i效家貌微一‘电困会产生太量族«，‘答要恰蠭WLED分楱(binning)«J‘电道dOOmAP+冰总球田*5LED叠功方法’U績db3RMT-几种LED驱动方法23LED电源技术常见的连接形式:串联简单串联V+带并联稳压管的串联24LED电源技术常见的连接形式:并联V+简单并联UL2L1独立匹配并联25LED电源技术常见的连接形式:姗先串后并V+先并后串26LED灯珠的连接方式的优缺点式鵬串联联串单简度亮f同目肅电DEL<nl简路致电1电出输口1-动驱/高注靠高可压联串路旁带流电DLE/高性靠致可1,®-单亮简，路同电相/大积体口働屢件高口貧TT元成联并单简氐面电动驱f简路电题问流均并联鵬配匹W独盖口{兀嘯LE个单A性靠可r/萵4r成J合大场体多,D杂LE复应路适电不昆串后tu适F古冋较果效fr总高广较较注围靠范可用DEL个SHI/Qtr的并九i复路电联并后串先题问流均决W/需串ED狐27LED灯具•光学设计、散热设计、驱动器（电源）设计、LED芯片等四个部分直接决定了LED灯具的优劣。•LED芯片层次不齐，光强、发热等差别较大。•而散热设计和驱动电源的设计直接关乎到LED灯的寿命，光学设计会影响到LED路灯的实际应用。28在LED灯中驱动电源最重要，电源芯片是最孩心的部分。1.驱动芯片的标称输入电压范围应当满足DC8-40V,耐压如能大于45V更好；AC12V或24V输入时简单的桥式输出电压会随电网电压波动，特別是电压偏高时输出直流电压也会偏高,驱动IC如不能适应宽电压范围f在电压升高时会被击穿,LED光源也因此被烧毁。2.驱动芯片的标称输出电流要求大于1.2-1.5A,作为照明用的LED光源，1W功率的LED光源其标称工作电流为350mA,3W功率的LED光源其标称工作电流为700mA,功率大的需要更大的电流，因此LED照明灯具选用的驱动IC必需有足够的电流输出，设计产品时必需使驱动IC工作在满负输出的70-90%的最佳工作区域。使用满负输出电流的驱动IC在灯具狭小空间散热不畅，容易疲劳和早期失效。3.驱动芯片的输出电流必需长久恒定，LED光源才能稳定发光,亮度不会闪烁；对于输出电流有一定离散性的驱动芯片必需在出厂前分档，调整PCB板上电流设定电阻(Rs)的阻值大小，使之生产的LED灯具恒流驱动板对同类LED光源的发光亮度一致，保持最终产品的一致性。4.驱动芯片的封装应有利于驱动芯片管芯的快速散热，如将管芯(Die)直接绑定在铜板上，并有一Pin直接延伸到封装外,便于直接焊接在PCB板的铜箔上迅速导热。芯片本身的物理散热结构也是至关重要的。5.驱动芯片本身的抗EMI、噪音、耐高压的能力也关系到整个LED灯具产品能否顺禾I」通过CE、UL等认证。6.驱动芯片自身功耗要求小于0.5W,开关工作频率要求大于120Hz,以免工频干扰而产生可见闪烁。29LED芯片与散热的关系LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关,散热不好结温就高，寿命就短,而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流増大（恒压供电时）;反向电流也增大\热应力増高\荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题。LED芯片的散热LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED的光效目前最高只有1001m/W左右f其电光转换效率大约只有20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。虽然电光转换效率不高，但与其他照明光源相比，达到同样的光亮所消耗的电量要小很多，比较节能!具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。1*内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100%都产生光子,通常称为由"电流泄漏"而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分•因为现在内部光子效率已经接近90%。2.内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右，大部分都转化为热量了。LED芯片到底板的散热：LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料，但效果都不是很好。30LED路灯节点控制器的组成部分LED定时模块光敏元件红外模块（可选）31LED路灯节点控制器的组成部分□核心控制模块:—般采用的都是单片机：増强型51系列单片机stcl2c5a60s2,摩托罗拉的MC68HC908GT16fsilicon公司的c8051f330单片机口定时模块:时钟芯片:DS12887芯片,DS1302,提供时钟基准。□通信模块：分为载波通信和无线通信。•载波(PLC)芯片：瑞斯康RISE3501,上海弥亚微MI200E,青岛东软ES16T、ES1631等，福星哓程的PL21O2,PL31O5等,Echelon的PL312O、PL315O。•无线芯片：ZigBee通信芯片TI公司的CCZ430,LSD-RFC1100□LED照明驱动电路:主要包括驱动电路和过温度保护电路两部分。驱动电路:MAX5033芯片。过温度保护电路:MBI1801芯片。该芯片内部有温度感应器，可感应到芯片的温度。□光敏模块:测量光强的芯片TSL256132LED路灯系统方案举例InternetGPRS/CDMA无线网络•中控制is33LED路灯系统方案举例单灯节点控制器实现的主要功能有:控制路灯开关、亮度调节、温度采集、湿度采集、亮度采集、计算电流电压功率以及功率因数等。单灯控制器分为模块式（内置灯具中）和外挂式（可内置灯杆中。集中控制器主要功能有：路灯时序调整、数据记录、报警处理和发送。它负责控制网络的运行，将监控中心的命令下达给单灯控制器，将控制器及线路信息反馈监控中心，集中控制器处于监控中心和各单灯控制器的中间，向上通过以太网、电话网/GSM、GPRS、485总线、RS232等方式同监控中心通信,向下则是通过f氐压电力网，以电力线载波为通讯方式，同各个路灯单灯控制器通信。监控中心监控中心主要实现通过监控软件对不同变压器下的集中控制器进行远程数据访问和控制，包括参数配置，控制命令发送、现场灯具状态收集等。能够显示路灯状态（亮度、温度、湿度、电压、电流、功率和功率因数）信息，能够远程控制路灯的开关和调节路灯的亮度，可以实现时序调度事件、读取数据记录、监视事件和报警应答等操作。34PLCdDf；.智慧路灯控制系统体系结构G台服务器基于PLC的路灯应用方案举例PIC虹E1'人屮I:M器23G甩站化屮挖制器4PI乂通位©I®—©IIM-^135基于PLC的路灯应用方案举例图2节点控制器的组成悝图36图4集中控制器系统组成植图37基于ZigBeeGPRS智能控制的LED路灯系统—路灯控制器ZigBee[<HM路灯抟+1器以太网ZigBeelAHI^在PC运行的专用管理软件完成对路灯管理路灯控糾命ZigBeeK域MGPRS广域网•内嵌GPSR模块的路灯柠制器与移动基站组成J—>GPRS广域网。•内嵌ZIGbee模块的路灯控制器，与内嵌ZIGbee模块的路灯挑成ZIGbee区域网。Internet>雕网38STC12c2052