善用感測(cè)器技術(shù)　LED照明環(huán)保優(yōu)勢(shì)倍增

　　LED照明應(yīng)用為大勢(shì)所趨，然過(guò)去輸出亮度低、穩(wěn)定性不佳、壽命難以延長(zhǎng)等弊病卻阻礙市場(chǎng)普及，有鑒于此，多元化的傳感器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)在不同的制作方式，仍不犧牲亮度與壽命，更突顯出LED節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，將有助于加速LED照明市場(chǎng)滲透率擴(kuò)大。

　　發(fā)光二極管(LED)照明正成為產(chǎn)業(yè)的首選技術(shù)，尤其是在惡劣環(huán)境條件的場(chǎng)合，LED解決方案是耐用且從不會(huì)完全失效，然其光量確實(shí)會(huì)隨時(shí)間而減弱。采用自動(dòng)調(diào)光測(cè)量LED光輸出，同時(shí)調(diào)整電源，可有效地在燈泡的整個(gè)使用壽命期間保持恒定的光輸出。如此可在不同的制作方式下保持穩(wěn)定的亮度，且大大延長(zhǎng)燈泡的使用壽命，本文將闡述如何使用各種傳感器技術(shù)運(yùn)作且適用于街道、辦公室和工廠的照明的電路范例。

　　系統(tǒng)層級(jí)的生態(tài)設(shè)計(jì)須面面俱到

　　就生態(tài)設(shè)計(jì)(Ecodesign)而言，對(duì)于特定的應(yīng)用，延長(zhǎng)使用壽命永遠(yuǎn)是人們所希望的，因?yàn)樗c生態(tài)沖擊(Ecological Impact)直接相關(guān)。此不像想象的那么容易，因?yàn)閯?chuàng)新永不停止，新標(biāo)準(zhǔn)和新應(yīng)用的可能性須被納入考慮，且須要實(shí)現(xiàn)新功能。重要的是不要僅執(zhí)行最低標(biāo)準(zhǔn)，還要建立預(yù)載有各種新功能、同時(shí)能帶來(lái)一定彈性的更佳產(chǎn)品。美國(guó)太空總署的「火星漫游車(Mars Rover)」就是一個(gè)很好的例子，大量的技術(shù)支持幫助這項(xiàng)計(jì)劃的導(dǎo)入，并使計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)間大幅提前。

　　除了彈性之外，讓LED具有如此長(zhǎng)壽命的可能性亦至關(guān)重要，對(duì)此，有三類影響須要考慮：快速變化的影響(如接通電流)、緩慢變化的影響(如漂移)及外部影響。

　　對(duì)于所有應(yīng)用而言，導(dǎo)通電流是一種重要的應(yīng)力。電源中的大型總線電容正是有可能造成此種應(yīng)力的主因。此外，開(kāi)啟電源時(shí)的不明確狀態(tài)可能給應(yīng)用帶來(lái)應(yīng)力。為避免這些狀況，應(yīng)該在整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)間使用失效模式與影響分析(FMEA)來(lái)對(duì)電路效能進(jìn)行仔細(xì)的分析。在完成的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，還須要檢驗(yàn)導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程中的電流和溫度，在設(shè)計(jì)時(shí)間，可能因此兩點(diǎn)未被注意，結(jié)果往往導(dǎo)致在后期造成現(xiàn)場(chǎng)故障。

　　圖1顯示由導(dǎo)通電流引起的某電源輸入橋式整流器的溫度變化，此時(shí)雖然其他組件處于冷狀態(tài)，但整流器的溫度卻明顯升高，可能影響產(chǎn)品使用壽命。許多二、三十年前開(kāi)發(fā)的應(yīng)用采用能避免漂移所引發(fā)故障的電路技術(shù)，由于后來(lái)使用的眾多組件具有較大的公差水平和更大的漂移，所以開(kāi)發(fā)對(duì)組件特性依賴較少的電路。為延長(zhǎng)一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品的使用壽命，許多這類技術(shù)不在現(xiàn)今生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之列，如此便增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使得組件數(shù)目增加。電子線路的環(huán)保影響通常低于工作能耗所引起的影響，所延長(zhǎng)的使用壽命可彌補(bǔ)增加的復(fù)雜性。

圖1 導(dǎo)通電流引起的電源輸入橋式整流器溫度變化

　　功率電子是所有應(yīng)用和產(chǎn)品的一個(gè)重要部分，尤其是在生態(tài)設(shè)計(jì)的考慮之中，因?yàn)樽酉到y(tǒng)透過(guò)效率等特性影響到環(huán)保效能，如較低的效率意味著應(yīng)用產(chǎn)品須采用較大的散熱片，從而在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中消耗更多能量，并須使用更多的能量進(jìn)行運(yùn)輸和回收。因此，建議設(shè)計(jì)人員能夠考慮到最高效率和較大的輸入電壓范圍的運(yùn)用，以便減少組件的數(shù)量，獲得最大的靈活性，因?yàn)榇瞬糠秩蘸鬅o(wú)法進(jìn)行更動(dòng)，如利用軟件修改。

　　在照明應(yīng)用中，使用LED解決方案是大勢(shì)所趨。除具有更高的效率之外，LED本身亦具有很長(zhǎng)的使用壽命，LED驅(qū)動(dòng)電子裝置在設(shè)計(jì)上應(yīng)該盡量利用LED的長(zhǎng)效使用壽命。圖2為此種照明方案的示意圖。

圖2 LED照明方案示意圖

　　路燈照明是這類照明方案的一個(gè)特殊實(shí)例，沒(méi)有任何其他照明應(yīng)用結(jié)合多元化的要求，如溫度、濕度、振動(dòng)等不斷變化的環(huán)境因素，以及高效率、高可靠性和低耗電量需求，都在照明解決方案的考慮因素之內(nèi)，同時(shí)亦要考慮大量生產(chǎn)和承受相對(duì)應(yīng)的價(jià)格壓力。隨著燈泡功耗的變化，溫度會(huì)從-40℃變?yōu)?5℃，導(dǎo)致溫度大幅上升。重點(diǎn)是必須注意到，每個(gè)(每日)導(dǎo)通周期會(huì)引發(fā)一次溫度周期，此意味著在系統(tǒng)層面上，5年中燈泡會(huì)有接近兩千次溫度周期，為系統(tǒng)帶來(lái)很大的應(yīng)力。
由于路燈照明的成本是城鎮(zhèn)預(yù)算的一個(gè)重要部分，人們特別關(guān)注高效率的能力，以期幫助降低路燈的運(yùn)作成本。目標(biāo)是使用最少的電能來(lái)提供街道或人行道所需足夠的亮度，這當(dāng)中還不包括后續(xù)的維護(hù)成本，若使用壽命較短的燈泡，其維護(hù)成本也會(huì)更加可觀。粗略估計(jì)一定人口使用路燈數(shù)量的方法，是按照每六個(gè)居民一盞路燈的比例來(lái)計(jì)算，按照這樣的比例，德國(guó)大約有一千三百三十萬(wàn)盞路燈，節(jié)能潛力非常驚人。因此，許多城市和小區(qū)轉(zhuǎn)而使用這些新型LED照明方案也就不足為奇，部分更換整個(gè)燈泡，或者更換燈頭。

　　路燈預(yù)防性維護(hù)至關(guān)重要

　　面對(duì)上述種種要求，這樣的電源設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，但并不是不可能。圖3的左側(cè)是輸入濾波器和橋式整流器的范例，后面跟著一個(gè)特殊的電路，其中回饋電路使用一個(gè)邊界導(dǎo)通模式(BCM)-功率因子校正(PFC)-控制器。通常，電源周期內(nèi)開(kāi)關(guān)頻率要發(fā)生變化，以保持輸出電壓的恒定。此處，使用振蕩器(內(nèi)有Q102的電路)維持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，從而在整個(gè)電源周期內(nèi)維持一種恒定的工作周期，此可改變工作周期(雖然以極低的速度)，以便調(diào)整輸出電流。因?yàn)長(zhǎng)ED不是動(dòng)態(tài)負(fù)載，所以不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，藉由這種改變，輸入電流將與輸入電壓對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)換器將恒定工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)，獲得極佳的功率因子。

圖3 路燈電源設(shè)計(jì)架構(gòu)

　　圖4顯示整個(gè)電源周期內(nèi)初級(jí)側(cè)(黑色)和次級(jí)側(cè)(灰色)的電流。很明顯，電流的峰值呈正弦形曲線，此使其能在使用小輸入電容時(shí)，仍獲得好的功率因子和低傳導(dǎo)輻射。

圖4 電源周期內(nèi)初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的電流

　　該電路能夠在不使用額外PFC電路的情況下獲得好的功率因子。缺點(diǎn)是在雙倍線路頻率下，次級(jí)側(cè)的漣波電流很大，但對(duì)于LED照明而言，此并不足以擔(dān)憂，因?yàn)槿庋蹮o(wú)法察覺(jué)高達(dá)100Hz的閃爍速率。

　　在次級(jí)側(cè)，利用一個(gè)電路將輸出電流(用分流電阻測(cè)量)轉(zhuǎn)換成初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)器的回饋訊號(hào)，以獲得驅(qū)動(dòng)LED的電流輸出。在這里對(duì)平均輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，是因?yàn)榛仞伝芈繁仨毦徛?，以便在輸入端獲得好的功率因子。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用金屬箔電容作為輸入電容，其小尺寸符合縮小空間方面的要求，并顯著延長(zhǎng)LED壽命。

　　LED燈的壽命也經(jīng)由LED的亮度漂移決定，如歐司朗光電半導(dǎo)體(OSRAM Opto Semiconductors)的LED產(chǎn)品Golden Dragon Plus平均壽命為45,000小時(shí)(焊接條件下，溫度85℃，以0.7安培電流連續(xù)工作)。其可分成四階段，第一階段是能夠上下相對(duì)快速漂移的階段，接下來(lái)是反射器老化階段，然后是LED僅有一點(diǎn)漂移的較長(zhǎng)階段，最后是燈壽命漂移真正終止的階段，在這個(gè)階段中，亮度持續(xù)降低。

　　LED的失效不會(huì)是突發(fā)式災(zāi)難，但在到達(dá)額定壽命期時(shí)，其亮度會(huì)下降至70%。燈將隨時(shí)間的推移持續(xù)變暗。在某些應(yīng)用中，這并不是問(wèn)題，但對(duì)于其他一些有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求亮度恒定的應(yīng)用中，此種情況是不能被接受的。與使用高壓鈉燈的普通路燈相比，LED燈相對(duì)