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摘 要:LED照明是一种集多种优点于一身的新型照明方式,本文基于人工天空系统的理论,从最优化设计的角度分析,首先确定了LED照明灯的总体布局,然后根据可靠性供电以及LED灯可靠性运行等可靠性工程的角度对人工天空照明系统的照明驱动电路进行了设计.

关 键 词:LED;最优化;人工天空;照明系统

随着科学技术水平的迅猛发展,人民室内生活质量得到不断提高,采光性能作为影响室内生活质量水平的重要因素,引起了科研工作者的广泛关注.人工天空,又称为人工天穹,是一种为了模拟全阴天条件下,对室内采光性能进行研究的系统.人工天空照明系统的设计,有利于对室内合理布局灯光的研究,有利于对室内最优化照明的设计,对于生活水平的提高有重要的现实意义.

一人工天空最优化灯光照明布置方案

在人工天空照明系统中有箱型、透过以及反射圆顶形三种类型,其中反射圆顶形具有普遍应用性.反射圆顶形的人工天空是在半球面的槽体中通过槽顶及槽边沿安装电灯以达到采光的需求,这种布局方式满足了国际照明委员会对人工天空照明系统的要求.查阅相关文献可知[1],在反射半球圆顶形人工天空的半球面内中心位置安装1盏灯,半圆切面上安装16盏等可以实现最优化照明的目的,

二LED照明系统分析

2.1LED照明的优点

在灯光照明中,考虑到经济、实用、环保、可靠、价格等多个角度,LED照明具有其它照明方式没有的优点,在灯光照明系统中有着广泛的应用.综合来看,LED照明系统的优点具体如下,

(1)LED的供电电压以及能耗教低.LED照明的电压一般在3V左右,而且与同功率的Na灯相比,LED照明灯的能耗不到Na灯能耗的一半,对我国的可持续发展有重要的意义;

(2)可靠性程度较高,适用于不同环境下的照明需求.LED照明灯可持续5万余小时,并且可以制造成不同形状的结构,以满足不同环境的要求,安全可靠,应用面较广;

(3)经济、环保,性价比较高.与同功率的Na灯相比,LED照明灯具有合理的价格,而且材料环保[2].

2.2LED照明灯结构及发光原理

LED又称为发光二极管,它是一种利用对半导体发光材料两端施加电压时,发光材料由于载流子复合,引发的释放光子的现象.LED照明灯就是利用这种原理构成的灯具,如图1所示,基于PN结作用下释放光子,通过光学透镜将光最大限度用于采光照明中.

三LED照明配光分析

从光学角度来看,LED照明属于非成像的,这就在设计LED照明系统的时候,需要充分考虑到LED灯的形状、LED的分布高度、配光所需要达到的光的强度等一系列问题.在配光层面上,需要着重考虑光源,受光平面等因素.


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(1)LED照明光源.LED照明光源要根据照明空间所需要的照明强度来选择.从商业照明的角度来看,GB50035-2004有明确的规范,对于一般性质的照明,水平照度不低于75Lx,从设计的角度来看,完全可以选择16W的T8LED灯作为照明光源.

(2)受光平面.受光平面实际上就是LED灯照明下的照明平面,受光平面的最优化采光决定了LED光源设计的质量,根据受光平面的需求,可以对LED照明系统进行更为合理的设计.

四LED照明系统设计

4.1LED照明系统驱动电源设计要求

LED照明系统的驱动电源能否照明以及影响LED工作寿命的重要因素,对于驱动电源的设计应该满足以下特征:

(1)可靠性供电.驱动电源一方面在保证可靠性可持续供电的情况下,还要满足供电以及使用的可靠性,即当一盏或者几盏LED故障的时候不影响其它LED照明灯正常工作.

(2)较好的浪涌保护能力.基于LED灯本身的特点,对浪涌的抵抗能力比较弱,因此在设计驱动电源之时,就应该考虑到浪涌危害,在设计之初就减少浪涌对LED照明灯的影响.

(3)要满足国家标准的要求.

根据驱动电路设计的基本特性,以及人工天空LED照明的现实要求,在本系统中LED照明驱动系统的设计的技术指标具体如下:

(1)交流生活用电输入:22015%;

(2)功率因数:≥0.6;

(3)可靠性供电:供电时长不低于100小时;

(4)对LED照明灯有较好的保护作用,具有

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良好电压自保护、电流自保护、过载保护以及温度反馈保护等功能;

4.2LED照明驱动系统设计

基于上述技术指标的要求,LED照明驱动电源采用带有PWM电流反馈的形式的电路,如下图2示,利用Boost变换器与带PWM调节的电流反馈电路构成电压环回路.


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根据原理图,本文拟采用FSDM的驱动芯片,这种芯片有较为合适的开关频率,耐压值较高,它是一种将PWM电流反馈调节与带电流检测的场效应晶体管封装在一起,具有电流以及电压自保护,较高的过载能力以及温度反馈能力,完全满足LED照明驱动电路的要求.

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五结论

基于LED的人工天空照明系统的设计实际上是对LED其驱动电源模块的设计.人工天空是进行光学模拟的重要实验装备,也是现实生活中良好供电照明环境重要研究对象.从最优化角度,首先确定17盏LED灯在反射半球面型人工天空中的布局,然后利用可靠性供电以及LED照明可持续的重要思想,采用FSDM的驱动芯片驱动电路,以满足照明系统可靠供电的需求,总而言之,对于人工天空LED照明系统的设计研究,也是综合最优化理论与可靠性工程的有一典型事例,在实际生活中也有重要的意义.

参考文献

[1]李德富.装配式人工天空[J].北京:北京建筑工程学院学报,1989,(2):101-104.

[2]黄天宏.LED照明技术的研究和设计实例[D].长沙:湖南大学硕士学位论文,2009:1.

[3]王兆安,黄俊.电力电子变流技术(3版)[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,1999.

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