淺析發光二極管道路照明電路設計與應用實現

（武夷學院 實驗室管理中心,福建 武夷山 354300）

隨著建設資源節約型、環境友好型社會的提出，發光二極管（LED）照明作為新興節能光源逐漸應用到路燈上，并以其優良的性能和廣闊的發展前景漸漸體現出取代被譽為第三代路燈照明光源——高壓鈉燈的趨勢。因此，發光二極管道路照明技術的研究對照明節能設計具有重要的現實意義，本文將結合CAT4101芯片特點和應用實際對發光二極管道路照明電路設計及相關特性進行淺析。

1 發光二極管（LED）特性分析

發光二極管（LED）作為一種特殊的二極管，具有同普通二極管相似的伏安特性，通常是利用元素周期表中Ⅲ、Ⅴ族元素的化合物，比如砷化鎵、磷化鎵等制成[1]。它是利用固體半導體芯片作為發光材料，管子通以電流時半導體中的電子和空穴直接復合，放出過剩能量，從而引起光子的發射。

1.1 LED路燈節能環保

普通燈泡發光一般是由電能轉換能熱能再轉換成光能，轉換效率僅為12%。LED作為一種半導體固體發光器件，由電子移動復合釋放能量發光，轉換效率可以達到68%。在同樣照明效果下，LED的耗電僅相當于普通燈泡的1/10。

LED 路燈使用壽命可以長達 50×103～100×103h，比普通燈泡延長大約100倍。同時，LED運用的是冷光源，眩光少、無輻射，在使用過程中不會產生有害物質，而且廢棄物可回收，沒有污染，具有其他光源無可比擬的節能環保優勢。

1.2 LED路燈控制靈活

LED路燈作為數字化可調光源，可以進行0～100%連續調光，根據道路照明光環境多樣性靈活調整光輸出，實現在滿足不同時段照明要求情況下最大可能的降低功耗。LED路燈可以快速控制響應，利用連續調光可以實現對道路照明進行動態管理。

傳統的高壓鈉燈屬于高壓氣體放電燈，從燈泡啟動到正常亮度的時間一般長達3～10min。LED作為半導體固體器件，可以實現瞬時啟動，在連續開關閃斷的狀態下正常工作。

1.3 LED路燈景觀一體

LED路燈一般為模塊化設計，結構輕質，體積小巧，能夠適應多種幾何尺寸和不同的空間大小。因此，燈具可以設計制作得非常小巧美觀，適合安裝在任何建筑結構上而不影響其外觀整體美感，易于對景觀大道、立交橋等的路燈進行外觀造型設計。

LED光源耐沖擊、抗震動，適合在橋梁、隧道內安裝，相對于傳統的高壓鈉燈，LED照明設計具有明顯的優勢。

1.4 LED路燈顯色性高

目前，大功率LED路燈一般都是采用藍光LED激發YAG熒光粉來獲得白光的。傳統的高壓鈉燈經濟節能、透霧性強，但其色彩還原能力差，顯色指數只有23左右。LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高許多，顯色指數可以達到75以上，完全符合城市道路照明要求。

另外，LED光色純真，隨LED芯片配料不同的關系，顯色指數、色溫均可變。道路照明設計可以根據不同應用場所的設計要求選擇相應的顯色指數和色溫要求。

2 發光二極管（LED）驅動電源

LED驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發光的電壓轉換器。目前，LED驅動電源還沒有統一的標準，各式各樣的驅動電源在市場上頻頻出現，進而導致LED驅動電源故障層出不窮。根據電網用電規則和LED特性要求，在選擇和設計LED驅動電源時要重點考慮以下幾個方面：

2.1 LED驅動電源設計思路

目前，LED驅動電源設計一般采用恒流式驅動。恒流驅動電路輸出的電流是恒定的，有效避免電流隨電壓變化而改變，恒定電流可以保持LED亮度穩定。LED光通量與溫度成反比，因此使用中應盡量減少電源發熱和設計良好的散熱系統，降低結溫并控制在一定范圍內，延長LED路燈使用壽命。

2.2 LED驅動電源設計要點

①可靠性

LED電源和驅動的設計，是保證LED路燈壽命更長的關鍵核心技術。尤其是LED路燈安裝在高空，維修不方便，維修費用也大。

②高效率

LED路燈具有節能環保優勢，其驅動電源的效率要高。因為電源的效率高，降低了其在燈內散發的熱量，對延緩LED光衰有利。

③恒流驅動

目前通行的恒流驅動有兩種：一個恒壓源供多個恒流源，每個恒流源單獨給每路LED供電；直接恒流供電，LED串聯或并聯運行。

④浪涌保護

LED路燈裝在戶外，由于電網負載的啟甩和雷擊的感應，從電網系統會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。

⑤維護可行

由于塵土、鳥糞的積累使得散熱器的散熱效率隨時間而降低，電源故障不可能完全避免，只有把電源的更換做得簡便時，才具備把維護任務交給路燈管理單位的可能。

3 發光二極管（LED）電路設計

3.1 CAT4101芯片模塊分析

CAT4101是一款線性恒流LED驅動器，可以驅動大量LED串聯的LED串，并提供大電流驅動能力，是各式LED應用的良好選擇[2]。

CAT4101不需要使用外部電感，在實際應用中減少了器件數量，簡化了設計，還可以消除由電感產生的雜訊。LED電流通過一個連接到REST引腳的外部電阻設置，該引腳兼容高達25V高電壓，使得CAT4101可驅動多至10個一組的LED串，電流可調整為1A。該器件提供高速高分辨率的PWM調光功能，還包括“即時亮”型的PWM控制模式和過熱自動關機保護功能。CAT4101采用5引腳TO-263封裝，它具備優異的散熱性能。

3.2 NE555芯片模塊分析

NE555集成電路是8腳封裝，其中6腳為閾值端（TH），是上比較器的輸入；2 腳稱觸發端（TR），是下比較器的輸入；3腳是輸出端（Vo），它有0和1兩種狀態，由輸入端所加的電平決定；7腳是放電端（DIS），它是內部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態，也是由輸入端的狀態決定；4腳是復位端（MR），加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端（Vc）,可用它改變上下觸發電平值；8腳是電源端，1腳是地端。

3.3 LED電路設計原理圖

7805作為供電芯片，為NE555和CAT4101提供穩定電壓，NE555及其外圍元件組成模塊為CAT4101提供脈寬調制信號。其中，PWM信號從CAT4101中1腳輸入，2腳接穩定電壓，3腳接地，調節電阻R2阻值可以實現LED組電流I大小改變。

4 LED電路設計應用分析

PWM（脈寬調制）技術是一種傳統的調光方式，它利用簡單的開關信號，反復開關LED驅動器，系統只需要提供寬、窄不同的占空比，即可簡單地實現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。

目前，大部分設計采用PWM調光的理由都是基于LED的基本特性，即放射光的位移是與平均驅動電流的大小成比例，光源愈是精密，需要采用PWM調光的機會就愈大。

表1 、LED電流隨REST電阻變化關系

CAT4101可以精確調節LED組的電流，并且該電流隨著REST電阻大小變化而改變，因此采用PWM調光方式可以對LED道路照明進行動態智能化管理，實現公共照明的間接節電。

5 結束語

國家和社會對資源節約和環境保護提出了新的要求，并伴隨著發光二極管（LED）技術的快速發展，LED道路照明具有廣闊的應用前景和發展空間。但是，目前LED路燈從應用的角度主要還存在燈具二次配光設計、散熱設計和電源驅動設計三大技術瓶頸，對LED道路照明光源的設計進行改進和優化，對今后LED道路照明光源大范圍的推廣和應用都具有積極的意義。

[1] 楊光.大功率發光二極管道路照明光源調光方案的研究[J].光源與照明，2011（2）.

[2] 陳宣平，劉韻梅.發光二極管路燈的應用分析[J].光源與照明，2011（2）.