LED路燈與交通燈控制系統結合方案設計分享

　　1 研究背景

　　近年來，我國的路燈建設取得了飛速的發展，道路照明質量不斷提高，高強度氣體放電燈被廣泛使用，對現代化城市的建設起了很大作用，但是隨之而來的是能耗的大幅度提高，特別是近年來能源價格大幅度提升，使電力耗費成為負擔。在全球都在提倡綠色照明的時代，路燈的節能必然成為一種趨勢。

　　目前，我國照明用電量占總用電量的13%左右，其中道路照明占整個照明用電量的25%~30%，因此道路照明節能具有很大的潛力和空間。目前道路照明使用最多的是高壓鈉燈，這種光源存在顯色性差、啟動時間長、耗電量高、發熱量大等缺點，需要發展新的更節能的道路照明光源。大功率高光效LED是近年來國內外快速發展起來的新光源，它具有光效高（≥90lm/W（1WLED））、壽命長（30000~50000h）、耐震動不易損壞、瞬時啟動、無污染等優點。白光LED是普通照明和道路照明的理想光源。因此發展LED路燈具有重要的節能意義。

　　考慮到現階段LED城市路燈使用缺陷和現實條件，筆者提出一種LED城市路燈控制系統綜合方案。

　　2 LED城市路燈與紅綠燈控制系統結合方案概述

　　在不改變現有的紅綠燈交通系統的前提下，將每一路段的城市路燈控制系統與紅綠燈控制系統綜合起來，達到紅燈期間，LED路燈小功率工作；綠燈期間，LED路燈大功率工作的目的。

　　本方案主要從以下兩方面進行設計：

　　2.1 LED路燈控制系統智能設計

　　將LED路燈裝置與交通紅綠燈控制系統結合在一起，利用每一路段紅綠燈的轉換實現對該路段燈光強弱的控制。紅燈期間，非機動車和行人的照明需求量較小，綠燈期間，機動車的照明需求量較大，這樣能夠在充分滿足各種照明需求情況下最大限度地節約電能。

　　2.2 LED集成燈板內部設計

　　眾所周知，散熱效率低是LED路燈使用的一大瓶頸。筆者提出的LED集成燈板內部分組設計能夠很好地解決此問題。本方案擬將LED集成路燈板分成甲、乙兩組。紅燈時期，甲組燈組單獨工作，實現小功率工作；綠燈時期，甲乙兩組同時工作，實現大功率工作；下一紅燈時期，乙組燈組單獨工作，依次循環輪流工作。這樣能夠讓每組燈組留有較為充足的散熱時間，延長LED路燈的使用壽命。

　　3 LED城市路燈與紅綠燈控制系統結合方案具體實施

　　為了便于實施和推廣本設計方案，我們本著基本不改變原十字路口紅綠燈交通系統的原則，將每段LED路燈控制系統和紅綠燈系統結合起來。

　　本方案所設計的電路圖分為三部分：紅綠燈信號激發裝置、時序邏輯信號轉換裝置、LED路燈智能工作裝置。

　　首先利用紅綠燈信號激發裝置將紅綠燈的工作情況轉換成高電平（綠燈和黃燈工作期間），低電平（紅燈工作期間），然后運用雙向移位寄存器74LS194組成的時序邏輯信號轉換裝置來將高低電平矩形脈沖信號轉換成合適的脈沖信號，從而使LED路燈能夠智能工作。

　　工作原理圖如圖1所示。

　　圖1本方案設計工作簡圖

　　3.1 紅綠燈信號激發裝置

　　利用圖2中的信號激發裝置，可以將紅綠燈工作狀態轉換成高低電平，將黃燈工作狀態等效看做綠燈，這樣就能夠使CP形成矩形脈沖信號。

　　圖2紅綠燈信號激發裝置圖

　　3.2 燈板內部甲乙兩組燈組在紅綠燈工作狀態

　　根據本方案所闡述的LED城市路燈與紅綠燈控制系統結合方案的工作原理——紅燈時期，甲組燈組單獨工作，實現小功率工作；綠燈時期，甲乙兩組同時工作，實現大功率工作；下一紅燈時期，乙組燈組單獨工作，依次循環輪流工作。甲乙組燈組在紅綠燈循環狀態的工作狀態圖如圖3所示。

　　可見當甲乙兩組燈組都在高電平信號工作，在低電平信號不工作的前提條件下，要滿足本方案中兩組燈的工作要求，即要使甲乙兩組燈組接收到的脈沖信號如表1所示。

　　圖3燈板內部甲乙兩組工作狀態簡圖

　　表1紅綠燈工作狀態

　　3.3 時序邏輯信號轉換裝置

　　由表1知要使LED路燈按照本方案中設計工作，需要將脈沖信號0101010101轉換成1101110111和0111011101，分別加給甲組燈組和乙組燈組。

　　我們可以運用雙向移位寄存器74LS194組成的時序邏輯信號轉換裝置來將高低電平矩形脈沖信號轉換成合適的脈沖信號。裝置如圖4所示。

　　圖4時序邏輯信號轉換裝置電路圖

　　3.4 LED集成路燈內部工作裝置

　　將LED集成路燈板內部分成甲乙兩組，如圖5所示。

　　圖5LED集成路燈板內部分組示意圖

　　注：黑色代表甲組；白色代表乙組。

　　由圖2裝置轉換的脈沖信號分別輸到甲乙燈組上，由二極管單向導電性知，只有高電平才能導通，正常工作。這樣能夠達到預期工作目的。

　　4 小結

　　（1）經濟效益

　　LED路燈較傳統高壓鈉燈節約用電60%（理論計算最高可達75%），政府每年的電費總額為800億元人民幣，其中城市路燈照明電費約是政府電費總額的30%，約240億元，則每年可以節約144億元。

　　由上所述，紅燈時期，甲組燈組單獨工作，實現小功率工作；綠燈時期，甲乙兩組同時工作，實現大功率工作；下一紅燈時期，乙組燈組單獨工作，依次循環輪流工作（即以每兩組紅綠燈為一周期，甲乙工作時間均為四分之三周期）。假設紅綠燈工作時間均為t（為計算簡便起見，黃燈的時間算為紅燈時間），甲乙兩組燈的功率均為P，則可以實現節能25%。如果在此基礎上，在保證燈亮度的同時，適當降低壓降，又可以進一步提高節能效果。因為通過降低供電電壓的方法不但可以節能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節能方式。當降低供電電壓10%來運行，則光通量減少為額定值的70%，而此時消耗功率可減少50%。

　　（2）前景展望

　　采用LED路燈雖然成本有所增加，但卻有著良好的經濟效益和社會效益。