一種基于CGC控制技術(shù)的新型LED日光燈研制

商丘工學(xué)院　徐忠根　蔣　琳　王洽鋒

一種基于CGC控制技術(shù)的新型LED日光燈研制

商丘工學(xué)院徐忠根蔣琳王洽鋒

新光源在低碳經(jīng)濟(jì)中正扮演著一個(gè)重要角色，LED在照明應(yīng)用中，因其具有節(jié)能、壽命長、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為一種新型照明光源被廣泛應(yīng)用，已成為國家實(shí)施節(jié)能減排、綠色環(huán)保和低碳照明的最具發(fā)展前景的高新技術(shù)之一。本文圍繞高亮LED日光燈在家庭照明應(yīng)用這一領(lǐng)域，針對傳統(tǒng)日光燈存在的缺陷，提出了一種基于CGC控制技術(shù)的新型LED日光燈研制方法，對LED日光燈的驅(qū)動(dòng)電路、二次配光和散熱結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

新光源；LED照明；CGC；二次配光

引言

在21世紀(jì)的今天，新光源在低碳經(jīng)濟(jì)中正扮演著一個(gè)重要角色，半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED照明被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的高新技術(shù)之一，已成為國家實(shí)施節(jié)能減排、綠色環(huán)保和低碳照明的關(guān)鍵性領(lǐng)域。國內(nèi)外一些專業(yè)從事照明器具研制的大公司投入巨資，對高亮LED進(jìn)行研究和開發(fā)，這將給新光源及綠色照明制造業(yè)帶來巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。河南省地處中原經(jīng)濟(jì)區(qū)中心，是國家實(shí)施西部大開發(fā)的前沿陣地，是承接?xùn)|西產(chǎn)業(yè)專業(yè)的結(jié)合部，必將是未來工業(yè)崛起的中心區(qū)域，而低碳照明又是未來城市照明發(fā)展的方向。因此，對于高亮LED節(jié)能燈的研制，既符合我省“十二五”發(fā)展規(guī)劃，又能使我省的新型城鎮(zhèn)化、公共照明基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和明應(yīng)用這一領(lǐng)域，對LED日光燈的驅(qū)動(dòng)電路、二次配光和散熱結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

1.LED照明存在的關(guān)鍵問題分析

目前，高亮LED日光燈還存在一些急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要有以下幾個(gè)方面。

（1）驅(qū)動(dòng)電源的恒流驅(qū)動(dòng)問題。因?yàn)長ED燈芯之間電流的差值不同，使用不當(dāng)就容易造成光衰，使壽命大大減短。所以電源是影響LED燈使用壽命非常主要的一個(gè)因素。使用劣質(zhì)電源，將直接導(dǎo)致產(chǎn)品在短期內(nèi)就出現(xiàn)各種各樣不良問題產(chǎn)生。

（2）散熱問題。對于LED照明來說，解決散熱問題也是現(xiàn)在LED企業(yè)必須要面對的問題，好多公司在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這塊就因?yàn)楹茈y城市發(fā)展跟上時(shí)代步伐。目前，LED照明技術(shù)在驅(qū)動(dòng)電路、二次光學(xué)設(shè)計(jì)和散熱處理方面還存在很大問題，為解決制約LED照明發(fā)展中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文圍繞高亮LED日光燈在家庭照解決散熱問題而出現(xiàn)研發(fā)瓶頸。

（3）光線柔和度問題。由于LED屬于點(diǎn)光源，發(fā)射的為直射光，不能均勻分配，在直接使用時(shí)，易使人感覺刺眼，造成視覺疲勞。

圖1　基于斬波控制的PWM脈沖驅(qū)動(dòng)電路

2.研制思路及設(shè)計(jì)原理

基于對LED照明存在的缺陷問題分析，本文重點(diǎn)對制約LED日光燈推廣與普及的散熱、配光、電路驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。提出一種采用翼狀疊片式結(jié)構(gòu)的散熱設(shè)計(jì)、利用LED陣列及雙層透鏡進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)、利用CGC技術(shù)控制PWM脈沖驅(qū)動(dòng)電路的研制方法。

2.1驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是一個(gè)由CGC技術(shù)控制的PWM脈沖調(diào)節(jié)方式的電流型高效率降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)器，可以高效地驅(qū)動(dòng)單顆或多顆大功率LED燈串，總功率可以高達(dá)百十瓦以上。所謂斬波是指將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。該驅(qū)動(dòng)器在輸出電壓4V-30V的電壓范圍內(nèi)可以提供高達(dá)1.2A的恒定電流，僅需要通過設(shè)置外部的電阻器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的調(diào)節(jié)控制。該系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)外部功率MOSFET，提供了靈活的設(shè)計(jì)方案。該驅(qū)動(dòng)可通過設(shè)置外部的電阻器來調(diào)整芯片的工作頻率，其頻率控制高達(dá)500KHZ。并通過DIM引腳可以簡單地實(shí)現(xiàn)模擬和寬范圍的PWM調(diào)光。其原理如圖1所示。

具體工作過程如下：

220V交流電經(jīng)全橋整流、電容濾波后變?yōu)?00V左右的直流電，一方面供給后級作為主能量輸出，另一面為IC801/402B提供工作電壓。取樣二極管D2、D3分別取交流正弦信號的兩個(gè)半周，作為IC801/402B第5引腳的觸發(fā)輸入信號，從而控制內(nèi)部斬波群振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，從IC801/402B內(nèi)部經(jīng)第4腳產(chǎn)生PWM信號，該信號用來調(diào)整Q1導(dǎo)通時(shí)間，Q1導(dǎo)通的時(shí)間越長，后級輸出的電流越大，從而調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的亮度。

當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時(shí)，電流流過LED、電容C2和電感L1。當(dāng)R1兩端的壓降達(dá)到ISENSE引腳的閾值電壓時(shí)，Q1關(guān)斷并保持一段固定時(shí)間，電感中的能量流過VD1和LED。經(jīng)過這段固定時(shí)間后，Q1重新導(dǎo)通，如此反復(fù)循環(huán)。

2.2二次配光設(shè)計(jì)

為了保證光照效果，增強(qiáng)光線柔和性，提高發(fā)光效率，本項(xiàng)目采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)平面排列的LED配光方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用了新型的LED非對稱自由曲面透鏡（花生米透鏡）和內(nèi)壁帶有顆粒的半圓燈罩。使用的LED光學(xué)設(shè)計(jì)的基本元件為一次配光后的大功率白光LED，按照非球面透鏡的W型規(guī)則分布來控制光暈和光照范圍，配合反光燈罩來控制整體光強(qiáng)。配光結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

配光過程：采用把安裝在單顆LED燈珠外面的花生米透鏡按照W型排列，LED的直射光線通過花生米透鏡，擴(kuò)大光線的散射角，散射光經(jīng)過多角度、多途徑再投射到由許多煙霧式顆粒型透鏡構(gòu)成的半圓型燈罩內(nèi)壁，通過漫發(fā)射向空間發(fā)送柔和的光線。

圖2　二次配光和散熱器結(jié)構(gòu)圖

2.3散熱設(shè)計(jì)

LED日光燈的基板外殼設(shè)計(jì)成翼狀疊片式，增大了散熱面積和通風(fēng)性，且材料選用鋁合金，并配有導(dǎo)熱硅脂，有良好的散熱性能。這種散熱技術(shù)應(yīng)用于LED日光燈后，LED日光燈在室內(nèi)外實(shí)際使用環(huán)境中的工作溫度恒定在45℃以下，從而徹底解決了溫度過高影響LED日光燈光衰和壽命的世界難題，使得無論多大功率的LED日光燈，均能保證其使用一萬小時(shí)不出現(xiàn)光衰減。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.結(jié)束語

本文提出的散熱、二次配光和電源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，在一定程度上解決了傳統(tǒng)LED照明燈存在的缺陷問題。不僅在理論上得到了證明，而且利用這些關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、研制出了高亮度LED日光燈，在應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。LED散熱難、光源利用率低、光線不柔和等難題得到了很大改善。當(dāng)然，對于LED新光源照明還有許多問題有待解決，比如發(fā)光效率不高、價(jià)格貴等。相信，隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，問題終會(huì)得到解決。

［1］馬永紅.LED日光燈驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015.7.

［2］周泉生.LED日光燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研討［J］.中國照明電器，2012.8.

［3］高成.照明用大功率LED散熱研究［J］.電子器件，2008.9.

［4］陳加琦.LED路燈的二次光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)［J］.大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.10.

A Development of a New-type LED Fluorescent Lamp Based on CGC Control Technology

Xu Zhonggen Jiang Lin Wang Qiafeng
（Shangqiu Institute of Technology， Shangqiu， Henan 476000）

The new-type light source is playing an important role in the low-carbon economy. Because of energy-saving， durability， environmental protection and many other advantages， it has been widely used as a new-type light source，and has become the one of the most promising high technology to achieve the goals of energy conservation， emission reduction， environmental protection and low-carbon lighting. This paper focuses on the field of the bright LED fluorescent lamp in the home lighting applications， proposes a development method of controling technology on CGC on the basis of the defects existing in the traditional fluorescent lamp. Besides， it researches and designs three aspects of the LED fluorescent lamp drive circuit， secondary light distribution and heat dissipation structure.

New-type light source； LED lighting； CGC； Two light distribution

徐忠根（1981-），男，河南商丘人，高校講師，二級技師，研究方向：單片機(jī)智能控制系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)。

基于CGC控制技術(shù)的新型LED日光燈研制，河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃，項(xiàng)目編號：14B480002；基于光伏發(fā)電的智能照明在綠色城市發(fā)展中的應(yīng)用研究，2016河南省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：62102210361。