公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無級調(diào)光控制方式研究

1、精編資料 路橋技術(shù)網(wǎng) :/cnluqiao . 公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無級調(diào)光控制方式研究. 周健1 呂曉峰2 楊洋1. 1.招商局重慶交通科研設(shè)計院 400067；2. .公路 隧道 LED 照明 系統(tǒng) 無級 調(diào)光 控制 方式 研究 路橋 技術(shù) :/cnluqiao 周健 呂曉峰 楊洋 招商局 重慶 交通 科研 設(shè)計院 400067公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無級調(diào)光控制方式研究周健1 呂曉峰2 楊洋11.招商局重慶交通科研設(shè)計院 400067；2.合肥源輝光電子 230061。摘 要：本文針對近年來逐漸進入公路隧道照明的LED燈各種調(diào)光控制方式的調(diào)光范圍、調(diào)光分級、電源效率、信號傳輸性能等影

2、響因素進行比照分析，提出了目前最適合LED燈的調(diào)光控制方式。關(guān)鍵詞：公路隧道照明，LED燈、無級調(diào)光控制方式3、按需照明40引言公路隧道照明的目的在于保證車輛舒適、平安地穿越隧道，因此公路隧道照明的根本要求是根據(jù)外部環(huán)境，提供與之相適應(yīng)的照明，以滿足人眼的適應(yīng)曲線。公路隧道照明控制的一般原理如圖1所示。圖1 公路隧道照明控制一般原理框圖國際照明學(xué)會CIE將隧道照明定義為接近段、入口段、中間段、出口段四個照明段，其中隧道入口照明分為閾值段、過渡段，閾值段是為了消除“黑洞現(xiàn)象，讓駕駛?cè)藛T能在洞口識別障礙物標(biāo)準(zhǔn)高20cm。為了防止閾值段照明與隧道內(nèi)部照明之間的強烈變化，設(shè)置過渡段照明，將隧道內(nèi)照明水

3、平逐漸下降，以到達隧道內(nèi)根本照明亮度。隧道照明的亮度遞減曲線如圖2所示。圖2 公路隧道照明的亮度遞減曲線示意圖公路隧道照明調(diào)光控制是滿足不同亮度環(huán)境、交通環(huán)境下的照明需求，實現(xiàn)隧道內(nèi)各區(qū)段照明亮度平滑過渡，從而到達既滿足隧道的照明亮度要求，保證行車平安，又節(jié)省能源的目的。目前公路隧道內(nèi)使用燈具主要有：熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈等。熒光燈可實現(xiàn)無級調(diào)光，但其光效較低，調(diào)光時易產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成干擾；高壓鈉燈、金鹵燈調(diào)光幅度很小，一般不在無級調(diào)光系統(tǒng)中應(yīng)用；隨著科學(xué)技術(shù)的開展，LED燈開始進入公路隧道照明領(lǐng)域，一種采用LED燈無級調(diào)光控制的隧道照明系統(tǒng)應(yīng)運而生，它的出現(xiàn)，使得公路隧道

4、照明質(zhì)量與節(jié)能又向前邁進了一大步。本文針對研究LED燈無級調(diào)光控制系統(tǒng)中應(yīng)考慮的問題及解決方案作初步研究。1 LED燈調(diào)光控制模式目前，LED燈調(diào)光控制模式方式主要有以下三種調(diào)光控制模式。無級調(diào)節(jié)方式：通過控制LED燈電源的輸出電流，調(diào)節(jié)LED燈的亮度，可實現(xiàn)256級亮度調(diào)節(jié)；燈管陣列控制：通過關(guān)閉或點亮LED燈具中某一列或多列燈管調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)級數(shù)與燈具中控制陣列數(shù)相關(guān)；燈群組控制：通過燈具地址編碼，可實現(xiàn)關(guān)閉或點亮奇數(shù)燈具，關(guān)閉或點亮偶數(shù)燈具，關(guān)閉或者點亮所有燈具，實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。燈管陣列控制和燈群組控制，其控制原理決定了其亮度調(diào)節(jié)分級受到一定數(shù)量限制，可應(yīng)用于對亮度調(diào)節(jié)分級不多的LED照明

5、控制工程中。無級調(diào)節(jié)方式可實現(xiàn)256級調(diào)光，調(diào)光級數(shù)多、范圍大，可應(yīng)用于對亮度調(diào)節(jié)級數(shù)要求較多的LED照明控制工程中。燈管陣列控制、燈群組控制由于分級層數(shù)較少，不易實現(xiàn)隧道內(nèi)照明的平滑過渡，不能有效遏止隧道照明的電能浪費；因此，本文主要介紹無級調(diào)節(jié)方式。2 LED燈無級調(diào)光控制方式電壓控制電流源VCCS亮度控制方式模擬信號控制電流平均值模式模擬信號控制電流平均值模式就是利用直流信號電壓來控制輸出電流平均值變化的一種輸出電流可控電源如圖3所示。它直接將電流信號取樣后經(jīng)隔離放大控制電源初級開關(guān)管的占空系數(shù)，隔離變壓器將不同占空系數(shù)的電能隔離后轉(zhuǎn)換為直流脈沖電流，經(jīng)低通濾波器濾波后轉(zhuǎn)換為大小隨控制信

6、號變化的直流電流，從而控制電源的輸出電流。該電源的損耗主要包括初級損耗、變壓器損耗和次級整流、濾波損耗，電源效率相對較高，參加PFCPower Factor Correction后一般效率在85%左右。目前這種亮度控制方式已在局部公路隧道LED燈照明無級調(diào)光控制中得以應(yīng)用。圖3一次性恒流的可控恒流源原理圖2.2 脈沖寬度調(diào)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穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過限流電阻或電感限流后，再通過PWM方式控制晶體管在單位周期內(nèi)的導(dǎo)通時間來控制流過LED的電流，從而到達控制LED亮度的目的如圖4所示。該電源的損耗主要包括初級損耗、變壓器損耗

7、、次級整流、濾波損耗、限流電阻或電感和續(xù)流二極管損耗和工作于開關(guān)狀態(tài)的晶體管損耗；與前一種相比，電源效率較低，參加PFC后一般效率在75%左右。在PWM模式調(diào)光中，LED正向電流以減少的占空比在0%至100%間轉(zhuǎn)換，以進行亮度控制。然而，PWM模式調(diào)光信號的頻率一般應(yīng)大于1kHz，以免出現(xiàn)閃爍或抖動。為盡可能降低閃爍或抖動，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求幾萬赫茲。但更高的調(diào)光頻率將大幅縮小驅(qū)動的調(diào)光范圍，進而降低系統(tǒng)的最大亮度。高頻PWM模式調(diào)光主要有固定頻率、時間延遲磁滯控制和固定導(dǎo)通時間的降壓式LED調(diào)光方式，根據(jù)大量制造商對三種不同配置的性能實驗數(shù)據(jù)，采用帶磁滯降壓LED驅(qū)動器的并行

8、調(diào)光方案在高調(diào)光頻率具有很寬的調(diào)光范圍。固定導(dǎo)通時間LED驅(qū)動器是固定頻率操作和磁滯控制之間的一個較好的權(quán)衡，采用這種驅(qū)動器進行并行調(diào)光也可以在高調(diào)光頻率下獲得大的調(diào)光范圍。圖4 先穩(wěn)壓再恒流的可控恒流源原理圖2.3 采用電阻和晶體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穩(wěn)壓電源先輸出恒定電壓，然后經(jīng)過限流電阻限流后，再通過工作于放大區(qū)的晶體管來控制流過LED的電流，從而到達控制LED亮度的目的。該電源的損耗主要包括初級損耗、變壓器損耗、次級整流、濾波損耗、限流電阻損耗和工作于放大區(qū)的晶體管損耗；與前兩種相比，電源效率最低，參加PFC后一般效率在70%以下。這一亮

9、度控制方式電源能耗損失較大，多用于對能耗要求不高的燈飾亮化場所，且更多的用于小功率LED的亮度控制。3 控制信號傳輸方式3.1 采用DC 05V模擬電壓信號進行傳輸這種傳輸方式的優(yōu)點是控制線路簡單，控制信號傳輸距離遠；為了確保DC 05V的模擬電壓控制信號有足夠的傳輸距離，LED驅(qū)動電源設(shè)計時，可通過將LED驅(qū)動電源設(shè)計成電壓控制電流源形式，控制輸入端為高輸入阻抗，以確?？刂菩盘柕拈L距離傳輸。根據(jù)測試結(jié)果，控制輸入端的輸入阻抗高達108及以上，每盞燈在5V控制電壓時的控制電流為510-8A，在長距離傳輸時電纜首尾壓降可控制在一個較小值的范圍。以一條隧道需同時控制5000盞燈為例，假設(shè)始末端燈具

10、的控制電壓降不得大于0.05V偏差1%，那么系統(tǒng)的控制距離計算如下：S =V/NIcR 式中：S為可同步控制燈具亮度的距離，單位為km； N為燈具數(shù)量，按5000盞計算； Ic為控制輸入端在5V時的控制電流，取510-8A；/km； V為控制線上允許的最大電壓降，取0.05V。由此計算出系統(tǒng)可同步控制的距離為S=0.05/50005010-9=這說明采用DC 05V的模擬電壓信號進行傳輸去控制LED燈具，可實現(xiàn)較長距離道路和隧道照明的控制需求。3.2 采用數(shù)字信號進行傳輸采用數(shù)字信號傳輸方式傳輸控制信號可采用RS-485或DMX512通訊協(xié)議，將控制信號送至相應(yīng)燈具的電源內(nèi)，再由解碼芯片解碼后

11、轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，去控制LED回路中開關(guān)三極管的導(dǎo)通時間或限流三極管的基極電流，從而到達控制LED驅(qū)動電流之目的。它們的優(yōu)點是控制方式靈活，可實現(xiàn)中控室與每盞燈具之間的相互通訊，從而可讓中控室隨時了解每盞燈具的工作狀態(tài)。目前在燈飾亮化場所，這種信號傳輸方式已得到廣泛地應(yīng)用，但這種通訊方式的缺點是傳輸距離短，信號易受干擾，終端接點的數(shù)量有限。如果要求中控室能夠了解每盞燈具的工作狀態(tài)，理論上RS-485最多可控制128盞燈，DMX512最多可控制512盞燈。RS-485或DMX512通訊協(xié)議理論上的傳輸距離均可達1200m，但在實際使用過程中，為了確保系統(tǒng)通訊的可靠性

12、，通常不大于250m；當(dāng)控制線路距離大于250m時，需添加中繼器?？紤]到通訊的可靠性，在公路隧道內(nèi)中繼器的級聯(lián)數(shù)量一般不應(yīng)超過2個。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)字通訊方式傳送控制信號，為保證照明調(diào)光系統(tǒng)可靠，每通道傳輸距離應(yīng)控制在750m以內(nèi)。采用微波通訊的方式傳輸控制信號。由于微波在狹窄的隧道內(nèi)傳輸時，會受到隧道壁以及隧道內(nèi)眾多機電設(shè)備、汽車的反射，造成接收端真假信號難以甄別，從而容易導(dǎo)致控制失靈。電力載波通訊方式傳輸控制信號。由于通訊回路中負(fù)載眾多且較為集中，燈具中PFC的脈沖信號會對動力線造成一定的高頻污染。對于亮度可控型燈具，在30%以下功率使用時PFC將失去作用，諧波會相對增大，從而嚴(yán)重干擾

13、信號傳輸，諧波干擾是影響低壓電力載波通訊開展的重要因素。3.3 同種規(guī)格燈具的互換性采用RS-485或DMX512通訊協(xié)議傳輸控制信號，要求每盞燈具內(nèi)要有相應(yīng)的地址代碼，至少應(yīng)確保隧道加強照明和根本照明的地址不同，以便于分別控制其燈具功率；如果要求各段分別控制，那么通常需要56種地址代碼，這種為燈具編碼的方式會使燈具的互換性下降，同時給燈具的運營維護帶來一定困難。采用DC 05V的模擬電壓信號來傳輸控制信號，對燈具編址等沒有要求，可對不同規(guī)格的燈具同時實現(xiàn)調(diào)光。4 無級調(diào)光控制方式的性能比擬無級調(diào)光控制方式的性能比擬主要應(yīng)從調(diào)光范圍、電源效率、信號傳輸性能三個方面進行考核。1調(diào)光范圍：在電源的

14、調(diào)光方面，最重要的兩項指標(biāo)是調(diào)光范圍和電源效率。上述三種調(diào)光方式在5%100%的功率范圍內(nèi)均連續(xù)可調(diào)。2電源效率：在電源效率方面，采用模擬信號控制電流平均值模式的LED亮度控制方式效率最高，為85%；PWM亮度控制方式、限流模式的LED亮度控制方式，電源效率均較低，一般小于75%。3信號傳輸性能：采用DC 05V的模擬電壓信號進行傳輸，可控制5000盞以上LED燈具，其傳輸信號有效控制距離可達17km。采用數(shù)字信號進行傳輸，RS-485可控制384盞LED燈，其傳輸信號有效控制距離為750m；DMX512可控制1536盞LED燈，其傳輸信號有效控制距離可達為750m。采用DC 05V的模擬電壓信號，LED燈具的互換性高；采用數(shù)字信號進行傳輸，燈具的互換性較差。5結(jié)語采用DC 05V模擬電壓信號傳輸?shù)哪M信號控制電流平均值模式的亮度控制方式優(yōu)于采用RS-485或DMX512通訊協(xié)議傳輸?shù)腜WM模式的亮度控制方式、限流模式的亮度控制方式。模擬信號控制電流平