深圳雷曼光电科技股份有限公司

　　随着LED行业的迅猛发展，晶片技术和封装工艺都日趋成熟，使得LED的发光光效大为提高，光电性能也较之前稳定，而产品的开发成本和制造费用也大幅度下降﹐致使LED市场货源充裕，价格适中，从而也促使了LED道路交通信号灯的大批量应用。

　　一 、LED交通信号灯与传统

　　光源的区别﹕

　　传统光源信号灯中最普遍采用的光源是白炽灯和卤素灯﹐如我国信号灯标准GB14887-94 和澳大利亚标准AS2144中的技术指标主要就是针对白炽灯光源规定的，而英国及我国香港地区以前使用的BS505标准就是针对卤素灯制定的。

　　白炽灯和卤素灯的特点是价格便宜，电路简单，但它们的缺点一是光效低，达到一定的光输出水平需要较多的电力，如白炽灯信号灯使用220V﹑100W的灯泡，而卤素灯一般使用12V﹑50W灯泡﹐缺点二是寿命短，有更换灯泡的麻烦﹐维护成本比较高。缺点三是灯光辐射中红外线占的比例较高，产生的热效应会对制作灯具的高分子材料产生影响。

　　而LED号灯由于其辐射光谱为窄帶，单色性好，无需滤光片，因此LED光源发出的光基本上都能得以应用，而传统光源信号灯需要利用滤光片才能得到所需要的颜色，致使光的利用率大为降低﹐所以最终信号灯整体发出的信号光强不高。

　　由于LED交通信号灯是由多个LED发光体组成，因此对于图案的设计可以通过对LED的布局调整，让其本身形成各种各样的图案，并且可以将各种各样的颜色做成一体，使得同样的灯体空间可以赋予更多的交通信息，配置更多的交通方案，也可以通过图案不同部位LED的切换形成动态的图案信号，从而使呆板的交通信号变得人性化﹐生动化，这些是传统光源所难以实现的。

　　二 、LED交通信号灯的光学

　　设计分析

　　LED交通信号灯的光源由多个LED组成﹐而传统光源如白炽灯﹑卤素灯都是由一个灯泡发光，因此传统光源在设计上只要考虑一个焦点，对光分布比较易于分配。而LED光源设计时就要考虑多个焦点，并且对LED的安装也有一定的要求，如果安装不一致就会影响发光面的光效均匀性，因此在设计中就要考虑如何避免这种缺陷的出现，如果光学设计过于简单，信号灯的光分布主要是靠LED本身的视角来保证﹐那么对LED本身光分布的要求以及安装要求都比较严格，否则这种现象就会十分明显。现在许多厂家对LED信号灯的配光采用了先汇集再配光的双重透镜方式，这样首先把多个LED发出的光汇集成一束平行光，然后再通过配光来满足各个方向的需要。这样的设计方式就缓解了LED本身光分布的不均以及安装产生的偏差。

　　LED交通信号灯在配光时与其它信号灯( 如汽车的前照灯等 ) 也有一定的区别，虽然一样有光强分布的要求，而汽车前照灯在光截止线上的要求更加严格﹐但前者是让交通参与者看清信号发光面的图案，而后者是让司机观察照亮的地方。因此汽车前照灯的设计只要把足够的光线配置到相应的地方，而不必理会该光线由哪里发出，设计者可以分区域分小块来设计透镜的配光区域，但交通信号灯还需要顾及到整个发光表面光效的均匀性，它必须满足从信号灯使用的任何工作区域观察信号发光面时，信号的图案都需清晰﹐视觉效果都需均匀。也就是说在同一个观察方向，整个信号信号发光面上都必须有比较均匀的光线照到，否则形成的信号图案就不均匀，甚至走样。

　　三 、LED交通信号灯驱动电路

　　分析﹕

　　1 )在设计LED的驱动电路时，我们首先要考虑如下几点：

　　A ﹕  驱动电源应使用220V交流电压整流滤波而得﹐且尽量节约能源。

　　B ﹕ 电源电压变化及环境参数(如环境温度)变化时﹐应对LED的发光亮度影响较小。

　　C ﹕ 当一个LED损坏时﹐不应对其它LED灯的正常工作造成影响

　　D﹕ 能在外界温度为-40℃(-40°F) ~ +71℃(+160°F)范围内长期稳定工作。

　　E ﹕ 应尽量降低成本。

　　2) LED工作电流的确定：LED的工作电流和工作环境温度决定着LED的使用寿命，根据有关资料显示，LED用于交通信号灯采用直流恒流驱动时，驱动电流一般为10mA至20mA之间，采用脉冲驱动时，LED驱动峰值电流必须大于10mA，且不超过200mA。平均电流不能超过20mA，当占空比大于50%时,峰值电流不能超过30mA。另外，LED的界面温度超过最高界面溫度时﹐将减少LED的使用寿命，甚至损坏LED。因此，在设计时，应使最高界面温度小于LED工作环境温度与热阻与功耗乘积之和。即﹕

　　Tj(℃)＜Ta℃(环境温度)+△Tj(℃)     Tj(℃)：最高界面温度

　　△Tj(℃)= PD×Rθj-A(℃/W)         △Tj(℃)：LED功耗与热阻导致的温升

　　PD  ：LED 的功耗( W )     Rθj-A ：{LED界面到负极管脚之间的热阻. (℃/W)}

　　　　有关环境温度与工作电流的曲线关系﹑最高界面温度及热阻等其它参数，请参考相应的LED产品规格书，通过合理的综合计算，从而确定LED的最佳工作电流。

　　　　1) LED的基本联结：LED的基本联结一般有串联﹑并联及交叉串﹑并联联结三种﹐基本电路如下﹐设计者可以根据驱动电路﹑发光亮度要求及其它要求来决定LED的数量和联结方法。（如图1）

　　　　4 ) 常见的LED交通信号灯驱动电路有如下三种：

　　　　A ：恒压驱动﹐基本电路（如图2）

　　　　B ：恒流驱动﹐基本电路（如图3）

　　　　C ：脉冲驱动﹐基本电路（如图4）

　　　　因LED本身是一种离散性电子元器件，其每一颗LED 灯的Ｖf(在一定正向电流导通时LED两端的电压降叫Vf )特性都有微小的差异，故LED直流电流驱动时，恒流驱动是其应用的最佳状态。而当 LED采用脉冲驱动时，其具有：恒流准确，发光效率高，正脉冲工作时所发出的热量能在负脉冲时得到发散，从而有效地延长了LED的使用寿命等优点。但其缺点是控制电路复杂，成本较高，是行业中推广的新型电路。

　　　　四、 电路分析﹕

　　　　1 ) 以下为几种商品交通信号灯的驱动电路（如图5）﹕

　　　　图5 某“人”交通信号灯电路图(18组并联)

　　　　图6 某箭头形交通信号灯电路图(15组串联)

　　　　图7 某交通信号灯电路图 (40组串联)

　　　　图8 某恒流驱动电路图

　　　　2 ) 电路分析

　　　　图5电路采用的是稳压驱动电路﹐LED的工作电流为﹕ I =( 18－4×Vf) ÷ R(mA)

　　　　此电路的缺点是：成本高，效率低，当一只LED损坏时，将导致与之串联的4只LED都不亮﹐建议采用图9所示电路改进，串联LED的数量根据LED的Vf而定﹐这样可以尽量提高电源的利用率，并联LED的组数由R的功率决定，从而避免一只LED灯损坏时导致其它灯不亮的情況发生。

　　　　图6电路采用的是电容限流电路，它具有电源滤波﹑瞬间过压保护功能，电源利用率高﹐LED采用交叉串﹑并联联结，一只LED损坏时不会影响其它LED的正常工作，设计时，可以参考使用。

　　　　图7电路与图B电路的驱动电路原理和LED联结相同，只是图C电路缺少电源滤波﹑瞬间过压保护功能，建议加上。

　　　　图8是采用恒流驱动电路﹐LM317接成恒流电路﹐即I = 1.25÷R(mA) = 50mA

　　　　此电路因采用自耦变压器，能相对降低成本，但LED的联结方法有待商量，当一只LED损坏时﹐流过与之并联的LED的电流将加倍﹐极易损坏另一只LED，而一旦损坏﹐将导致所有的LED都不亮，建议采用图B联结，这样就不至于一个LED损坏而影响其它LED的正常工作。

　　　　以上是我们在做LED驱动电路的一些常用方法，我们将它们做一总结，它们各有特色，很难说一种比另一种方法更科学，还是希望工程人员在做电路设计时充分考虑到LED的特点，这样对LED的使用和普及无疑是十分有益的。