公路隧道LED燈照明系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式研究

1、公路隧道led燈照明系統(tǒng)無(wú)級(jí)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(jì)院有限公司 重慶市 400067；2.合肥源輝光電子有限公司 合肥市 230061）摘 要：本文針對(duì)近年來(lái)逐漸進(jìn)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(jí)、電源效率、信號(hào)傳輸性能等影響因素進(jìn)行對(duì)比分析，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(wú)級(jí)調(diào)光控制方式、按需照明0引言公路隧道照明的目的在于保證車(chē)輛舒適、安全地穿越隧道，因此公路隧道照明的基本要求是根據(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

2、 公路隧道照明控制一般原理框圖國(guó)際照明學(xué)會(huì)（cie）將隧道照明定義為接近段、入口段、中間段、出口段四個(gè)照明段，其中隧道入口照明分為閾值段、過(guò)渡段，閾值段是為了消除“黑洞”現(xiàn)象，讓駕駛?cè)藛T能在洞口辨認(rèn)障礙物（標(biāo)準(zhǔn)高20cm）。為了避免閾值段照明與隧道內(nèi)部照明之間的強(qiáng)烈變化，設(shè)置過(guò)渡段照明，將隧道內(nèi)照明水平逐漸下降，以達(dá)到隧道內(nèi)基本照明亮度。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(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)各區(qū)段照明亮度平滑過(guò)渡，從而達(dá)到既滿足隧道的照明亮度要求，保證行車(chē)安全，又節(jié)省能源的目的。目前公路隧道內(nèi)使用燈具主要

3、有：熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、led燈等。熒光燈可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)光，但其光效較低，調(diào)光時(shí)易產(chǎn)生高次諧波，對(duì)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(wú)級(jí)調(diào)光系統(tǒng)中應(yīng)用；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，led燈開(kāi)始進(jìn)入公路隧道照明領(lǐng)域，一種采用led燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制的隧道照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)，使得公路隧道照明質(zhì)量與節(jié)能又向前邁進(jìn)了一大步。本文針對(duì)研究led燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制系統(tǒng)中應(yīng)考慮的問(wèn)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。1) 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方式：通過(guò)控制led燈電源的輸出電流，調(diào)節(jié)led燈的亮度，可實(shí)現(xiàn)256級(jí)亮度調(diào)節(jié)；2) 燈管陣列

4、控制：通過(guò)關(guān)閉或點(diǎn)亮led燈具中某一列或多列燈管調(diào)節(jié)亮度，調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)與燈具中控制陣列數(shù)相關(guān)；3) 燈群組控制：通過(guò)燈具地址編碼，可實(shí)現(xiàn)關(guān)閉或點(diǎn)亮奇數(shù)燈具，關(guān)閉或點(diǎn)亮偶數(shù)燈具，關(guān)閉或者點(diǎn)亮所有燈具，實(shí)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(jí)受到一定數(shù)量限制，可應(yīng)用于對(duì)亮度調(diào)節(jié)分級(jí)不多的led照明控制工程中。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方式可實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)光，調(diào)光級(jí)數(shù)多、范圍大，可應(yīng)用于對(duì)亮度調(diào)節(jié)級(jí)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(jí)層數(shù)較少，不易實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)照明的平滑過(guò)渡，不能有效遏止隧道照明的電能浪費(fèi)；因此，本文主要介紹無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)方式。2 led燈無(wú)級(jí)調(diào)光控制方

5、式2.1電壓控制電流源（vccs）亮度控制方式（模擬信號(hào)控制電流平均值模式）模擬信號(hào)控制電流平均值模式就是利用直流信號(hào)電壓來(lái)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(hào)取樣后經(jīng)隔離放大控制電源初級(jí)開(kāi)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)換為大小隨控制信號(hào)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(jí)損耗、變壓器損耗和次級(jí)整流、濾波損耗，電源效率相對(duì)較高，加入pfc（power factor correction）后一般效率在85%左右。目前這種亮度控制方式已在部分公路隧道led燈照明無(wú)級(jí)調(diào)光

6、控制中得以應(yīng)用。圖3一次性恒流可控恒流源原理圖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(guò)限流電阻限流后，再通過(guò)pwm方式控制晶體管在單位周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制流過(guò)led的電流，從而達(dá)到控制led亮度的目的（如圖4所示）。該電源的損耗主要包括初級(jí)損耗、變壓器損耗、次級(jí)整流、濾波損耗、限流電阻損耗和工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管損耗；與前一種相比，電源效率較低，加入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(jìn)行亮度控制。然而，pwm模式調(diào)光信號(hào)的頻率一般應(yīng)大于

7、40khz，以免出現(xiàn)閃爍或抖動(dòng)。為盡可能降低噪聲和輻射，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率范圍一般要求幾萬(wàn)赫茲。但更高的調(diào)光頻率將大幅縮小驅(qū)動(dòng)的調(diào)光范圍，進(jìn)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(shí)間延遲磁滯控制和固定導(dǎo)通時(shí)間的降壓式led調(diào)光方式，根據(jù)大量制造商對(duì)三種不同配置的性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用帶磁滯降壓led驅(qū)動(dòng)器的并行調(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(shí)間led驅(qū)動(dòng)器是固定頻率操作和磁滯控制之間的一個(gè)較好的權(quán)衡，采用這種驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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

8、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(guò)限流電阻限流后，再通過(guò)工作于放大區(qū)的晶體管來(lái)控制流過(guò)led的電流，從而達(dá)到控制led亮度的目的。該電源的損耗主要包括初級(jí)損耗、變壓器損耗、次級(jí)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，加入pfc后一般效率在70%左右。這一亮度控制方式電源能耗損失較大，多用于對(duì)能耗要求不高的燈飾亮化場(chǎng)所，且更多的用于小功率led的亮度控制。3 控制信號(hào)傳輸方式3.1 采用dc 05v模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸這種傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是控制線路簡(jiǎn)單，控制信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)；為了確保dc 05v的模擬電壓控制信號(hào)有足夠的傳

9、輸距離，led驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)將led驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)成電壓控制電流源形式，控制輸入端為高輸入阻抗，以確保控制信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，控制輸入端的輸入阻抗高達(dá)108及以上，每盞燈在5v控制電壓時(shí)的控制電流為5×10-8a，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)電纜首尾壓降可控制在一個(gè)較小值的范圍。以一條隧道需同時(shí)控制5000盞燈為例，若始末端燈具的控制電壓降不得大于0.05v（偏差1%），則系統(tǒng)的控制距離計(jì)算如下：s =v/（n×ic×r） 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(jì)算； ic為控制輸入端在5v時(shí)的控制電流，取5×1

10、0-8a； r為1.5平方控制線每公里的線阻，為11.694/km； v為控制線上允許的最大電壓降，取0.05v。由此計(jì)算出系統(tǒng)可同步控制的距離為s=0.05/（5000×50×10-9×11.694）=17.1km這表明采用dc 05v的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸去控制led燈具，可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離道隧道照明的控制需求。3.2 采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸采用數(shù)字信號(hào)傳輸方式傳輸控制信號(hào)可采用rs-485或dmx512通訊協(xié)議，將控制信號(hào)送至相應(yīng)燈具的電源內(nèi)，再由解碼芯片解碼后轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)或經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，去控制led回路中開(kāi)關(guān)三極管的導(dǎo)通時(shí)間或限流三極管的基極

11、電流，從而達(dá)到控制led驅(qū)動(dòng)電流之目的。它們的優(yōu)點(diǎn)是控制方式靈活，可實(shí)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(shí)了解每盞燈具的工作狀態(tài)。目前在燈飾亮化場(chǎng)所，這種信號(hào)傳輸方式已得到廣泛地應(yīng)用，但這種通訊方式的缺點(diǎn)是傳輸距離短，信號(hào)易受干擾，終端接點(diǎn)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(dá)1200m，但在實(shí)際使用過(guò)程中，為了確保系統(tǒng)通訊的可靠性，通常不大于250m；當(dāng)控制線路距離大于250m時(shí)，需添加中繼器?？紤]到通訊的可靠性，在公路隧道內(nèi)中繼器

12、的級(jí)聯(lián)數(shù)量一般不應(yīng)超過(guò)2個(gè)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)字通訊方式傳送控制信號(hào)，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(hào)。由于微波在狹窄的隧道內(nèi)傳輸時(shí)，會(huì)受到隧道壁以及隧道內(nèi)眾多機(jī)電設(shè)備、汽車(chē)的反射，造成接收端真假信號(hào)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(hào)。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(hào)會(huì)對(duì)動(dòng)力線造成一定的高頻污染。對(duì)于亮度可控型燈具，在30%以下功率使用時(shí)pfc將失去作用，諧波會(huì)相對(duì)增大，從而嚴(yán)重干擾信號(hào)傳輸，諧波干擾是影響低壓電力載波通訊發(fā)展的重要因素。3.3 同種規(guī)格燈具的互換性采用rs-485或d

13、mx512通訊協(xié)議傳輸控制信號(hào)，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(qiáng)照明和基本照明的地址不同，以便于分別控制其燈具功率；如果要求各段分別控制，則通常需要56種地址代碼，這種為燈具編碼的方式會(huì)使燈具的互換性下降，同時(shí)給燈具的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)一定困難。采用dc 05v的模擬電壓信號(hào)來(lái)傳輸控制信號(hào)，對(duì)燈具編址等沒(méi)有要求，可對(duì)不同規(guī)格的燈具同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)光。4 無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式的性能比較無(wú)級(jí)調(diào)光控制方式的性能比較主要應(yīng)從調(diào)光范圍、電源效率、信號(hào)傳輸性能三個(gè)方面進(jìn)行考核。1）調(diào)光范圍：在電源的調(diào)光方面，最重要的兩項(xiàng)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

14、）電源效率：在電源效率方面，采用模擬信號(hào)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(hào)傳輸性能：采用dc 05v的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行傳輸，可控制5000盞以上led燈具，其傳輸信號(hào)有效控制距離可達(dá)17km。采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，rs-485可控制384盞led燈，其傳輸信號(hào)有效控制距離為750m；dmx512可控制1536盞led燈，其傳輸信號(hào)有效控制距離可達(dá)為750m。采用dc 05v的模擬電壓信號(hào)，led燈具的互換性高；采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，燈具的互換性較差。5結(jié)語(yǔ)采用dc 05v模擬電壓信號(hào)傳輸?shù)哪M信號(hào)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)膒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(hào)控制電流平均值模式的亮度控制方式將是未來(lái)大規(guī)模led燈進(jìn)入隧道照明的理想控制模式。