LED工业照明解决方案

工业照明应用空间分为办公室应用和工厂应用。工厂应用需要较长的组件使用寿命，最少的维护和自主运行。这些功能使工厂车间及其相关的照明解决方案成为当地回收能源解决方案支持的首选产品，并具有更长的产品更换/维修寿命。

随着照明功率下降到新的高效收割机所能达到的水平，使用太阳能和压电源来帮助支持局部照明越来越受欢迎。实施这些系统的关键是所收集电能的存储和分配。选择正确的照明类型，驱动器选项以及电力存储和调节环境是成功部署这些自供电系统的主要要素。


能量收集组件

对于工业应用空间，有两种适用的能量收集技术。一个是太阳能，另一个是压电收集器，可以收集运动中的能量。以前，太阳能选项不适用于现场应用。但是，随着照明解决方案所需的工作电压和电流的降低，现在可以使用较小的太阳能电池（某些太阳能电池的效率高达22％）。新的太阳能电池，例如IXYS Corporation的 KXOB2201X8 IXOLAR™太阳能电池（图4）是小尺寸的电池（22毫米x 7毫米x 1.8毫米），即使在弱光下也能在3.8 mA电流下产生3.4伏特。这些电池可以串联或并联连接，以产生运行照明，调节器或传感器所需的适当电压或电流。太阳能电池有多种尺寸，每种都会产生不同的电压和电流。这些电池可以连接在一起以产生广泛的电压和电流。为了在工业应用中使用，当不再有太阳能时（例如在晚上），将所产生的能量存储起来以备后用。


在运动收集方面，主要技术是压电能量收集器，具有许多不同的PZT桨，它们可根据运动产生不同的功率。这些收割机从PZT材料末端的x轴或y轴位移产生能量。收割机的输出可以串联或并联连接，以提供调节器，照明应用或连接到电源的传感器所需的正确电压和电流。与太阳能收集器类似，这些收集器主要将能量存储在存储库中，以便在需要时由应用程序使用。这种能量存储机制减少了试图平衡有功电流汲取/电压消耗与能量收集系统的依赖关系。



照明类型

长期以来，工厂的工业照明一直以大功率，大功率区域照明为特征。除了荧光灯管和大型环形照明外，工厂还使用了卤素灯泡和钠灯泡。这些是传统白炽灯的补充，有现货，泛光和常规灯泡格式。钠灯泡均由110至240伏交流电源控制，以高电流水平驱动镇流器和照明灯。这些灯中的大多数都具有70至500瓦的电源，并且除光外还会产生大量的热量。在100至200流明/瓦的功率范围内，它们具有同类产品中的高效率，使用寿命为10,000至20,000小时。


卤素灯泡使用的材料比传统白炽灯泡要新。这些灯泡的使用寿命通常为2,000到10,000小时。挑战在于所需的力量。卤素灯泡和钠灯泡一样，是110至240伏交流电设备，运行范围为50至1,000瓦。对于这两种替代方案，除了大规模的替代能源解决方案（风能，地热能和大功率太阳能）以外，收获的电力都不是很实用。


可以利用采集的能量运行的照明解决方案是标准和高亮度LED（HBLED）。这些照明产品的工作电压为1.8至10伏直流电，通常可提供10瓦以下的运行解决方案。标准LED，例如Lite-On LTST-C191KRKT红色LED 支持每瓦60至100流明的功率效率。同样，诸如Cree CLA1B-MKW白色HBLED 之类的HBLED的功率效率在每瓦175至200流明的范围内。这些器件在低于10伏（通常为3.3至5伏）的范围内工作，正向偏置电流在毫安范围内。标准LED和HBLED的使用寿命都接近100,000小时，这使其成为难以接近工业照明的理想选择。
建兴标准低功耗LED 

标准照明类型有白色（冷，柔和和暖），而LED灯除了白色以外，还有非常特定的波长和颜色。标准LED的功率较低。这些颜色有琥珀色，蓝色，绿色，黄色，红色和白色阴影。HBLED还可以从众多制造商处获得，包括Cree，Lumex，Sharp Microelectronics，东芝美国电子元件，欧司朗光电半导体和ROHM Semiconductor，并提供颜色和优化的白色以替代高压照明。

与高压照明不同的固态照明面临的一个挑战是温度的影响。由于LED产生的光是电子工艺（二极管）的结果，因此存在基于驱动电流变化的温度效应。图3显示了HBLED器件在器件封装内部的零至100°C结温范围内的典型温度工作曲线。这些器件在低温下的性能有所提高。环境必须具有温度意识，因为调节器及其相关无源元件的稳定性也具有温度依赖性，因此必须将其纳入设计之中。

功率调节
功率调节对于LED照明至关重要。能够从能量收集器收集能量并将其存储是功率调节故事的一方面。诸如凌力尔特公司的LTC3225超级电容器充电器之类的专用控制器可用于驱动超级电容器的电源以进行存储。同样，德州仪器（Texas Instruments）和美国国家半导体（National Semiconductor）也提供电池充电调节器。多部分调节系统必须包括稳压器和转换器，如国家半导体的SM72442功率跟踪控制器和凌力尔特的LTC3588与PZT能量采集器选用高效率的降压转换器。

然后，这些稳压器驱动传统的恒流LED稳压器，例如CUI，Inc.的 VLD24-300。这是一款可编程电压，固定电流输出设备，旨在通过开关控制来驱动LED和HBLED。这些稳压器和驱动器中的一些除升压和/或降压转换器外，还包括所有PWM控制逻辑和驱动器。诸如Linear Technologies LTM8042之类的产品包括升压LED驱动器，并支持多个器件和驱动通道。虽然它是为平板显示器的LED调光而设计的，但LED背光的控制机制和设备设计与工厂中用于机器特定区域照明的现代分布式LED面板相同。

能量存储选项

由于能量收集器的收集时间不一定与传感器和照明设备的电源需求一致，因此必须以易于检索的形式存储能量。三种最常见的组件是可充电电池（多种材料选择），超级电容器和新型固态储能芯片。

电池是最著名的技术。它们的优点是成本低廉，易于获得，具有标准连接器，并且具有许多不同的电压和存储容量。电池的使用寿命相当长，通常接近五年。电池面临的挑战是温度和环境支持。电池物理上又大又重，因此需要在系统中使用机械计划。

电池是一种直流系统，在固定的电流消耗下具有衰减的电压，这会导致在电池的整个使用寿命期间，进入端子的阻抗发生变化。这样就无需在调节器上安装整流器来驱动传感器和照明系统。

超级电容器，例如太阳诱电的 PAS414HR-VA5R（图6）是另一种存储方法。它们是电池和电容器之间的交叉点。它们的区别特征是，与给定的电压水平相比，电池尺寸更小，同时提供相似的水平或电流。它们的缺点是所存储的总功率小于同等大小的电池中的总功率。另外，超级电容器具有不同的电气特性，并且需要与电池不同的调节器和充电电路。超级电容器最多可以提供十年的运行时间，而无需进行更改。这是电池维修周期的一项重大改进。
太阳诱电的超级电容器 

最后一个选择是相对较新的-与电池类似的薄膜存储设备是固态的，可表面安装的组件。Cymbet有一条名为EnerChip™的产品线，这是一种耐回流焊的固态组件。表面贴装式封装可以在3.8伏特的电压下产生12μAh的电流，并需要十分钟的充电时间才能达到80％的容量；Enerchip器件支持超过5,000个充电周期。这些设备也可以串联或并联连接，以产生驱动稳压器，光源和传感器所需的功率水平。这些设备的主要用途是为SRAM和微控制器提供备用电源。

支持组件

这些调节器在工业上用于驱动LED照明的挑战之一是宽工业温度范围。这些调节器使用电阻器，电容器和电感器，它们都在很大的工作温度范围内改变其特性。结果，为了满足典型的-20°C至+ 100°C的工作范围，即使这些元件在标称27°C的工作条件下具有很高的精度，您也会看到这些元件的值存在较大差异。

小电阻器在此温度范围内偏移其基线值的100％以上并非没有道理。结果，可从调节器获得的电量可能会发生巨大变化。为了确保所产生的照明电路正确工作，在使用组件材料和组装方法来创建调节器时，必须考虑这些温度影响，以最大程度地减少问题。

设计中使用多个调节器，再加上对存储设备进行控制和充电的需求，增加了为操作照明和传感器解决方案而必须收集的电量。照明解决方案本身就是高效的。但是，系统的总电源路径存在损耗。典型的设计将包括一个能量收集设备，一个主控制器，一个转换器，一个用于对存储设备进行驱动和充电的调节器，存储设备本身，一个输出调节器，一个LED驱动器以及灯本身。整个系统可能需要一个能量收集解决方案，其大小仅为向LED照明供电所需的能量收集解决方案的大小的二到五倍。成本和复杂性很容易得到证明