LED的調(diào)光原理分析與設(shè)計(jì)實(shí)例

作者：時(shí)間：2011-01-14 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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當(dāng)正向電流為350mA 時(shí)，主波長(zhǎng)為545.8nm；當(dāng)正向電流減小為200mA 時(shí)，主波長(zhǎng)為548.6nm；當(dāng)正向電流減小為100mA時(shí)，主波長(zhǎng)為550.2nm。正向電流的改變也會(huì)引起色溫的變化（圖4）。

圖4. 白光LED的色溫和正向電流的關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)正向電流為350mA時(shí)，色溫為5734K，而正向電流增加到350mA時(shí)，色溫就偏移到5636K。電流再進(jìn)一步減小時(shí)，色溫會(huì)向暖色變化。

當(dāng)然這些問(wèn)題在一般的實(shí)際照明中可能不算是一個(gè)大問(wèn)題。然而在采用RGB的LED系統(tǒng)中，就會(huì)引起彩色的偏移，而人眼對(duì)彩色的偏差是十分敏感的，因此也是不能允許的。

1.3 調(diào)電流會(huì)產(chǎn)生使恒流源無(wú)法工作的嚴(yán)重問(wèn)題

然而在具體實(shí)現(xiàn)中，用調(diào)正向電流的方法來(lái)調(diào)光可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更為嚴(yán)重的問(wèn)題。

我們知道LED通常是用DC-DC的恒流驅(qū)動(dòng)電源來(lái)驅(qū)動(dòng)的，而這類(lèi)恒流驅(qū)動(dòng)源通常分為升壓型或降壓型兩種（當(dāng)然還有升降壓型，但由于效率低、價(jià)錢(qián)貴而不常用）。究竟采用升壓型還是降壓型是由電源電壓和LED負(fù)載電壓之間的關(guān)系決定的。假如電源電壓低于負(fù)載電壓就采用升壓型；假如電源電壓高于負(fù)載電壓就采用降壓型。而LED的正向電壓是由其正向電流決定的。從LED的伏安特性（圖5）可知，正向電流的變化會(huì)引起正向電壓的相應(yīng)變化，確切地說(shuō)，正向電流的減小也會(huì)引起正向電壓的減小。所以在把電流調(diào)低的時(shí)候，LED的正向電壓也就跟著降低。這就會(huì)改變電源電壓和負(fù)載電壓之間的關(guān)系。

圖5. LED 的伏安特性

例如，在一個(gè)輸入為24V 的LED 燈具中，采用了8 顆1W 的大功率LED 串聯(lián)起來(lái)。在正向電流為350mA 時(shí)，每個(gè)LED 的正向電壓是3.3V。那么8 顆串聯(lián)就是26.4V，比輸入電壓高。所以應(yīng)該采用升壓型恒流源。但是，為了要調(diào)光，把電流降到100mA，這時(shí)候的正向電壓只有2.8V，8 顆串聯(lián)為22.4V，負(fù)載電壓就變成低于電源電壓。這樣升壓型恒流源就根本無(wú)法工作，而應(yīng)該采用降壓型。對(duì)于一個(gè)升壓型的恒流源一定要它工作于降壓是不行的，最后LED 就會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。實(shí)際上，只要是采用了升壓型恒流源，在用調(diào)正向電流調(diào)光時(shí)，只要調(diào)到很低的亮度幾乎一定會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)槟菚r(shí)候的LED 負(fù)載電壓一定是低于電源電壓。很多人因?yàn)椴涣私馄渲械膯?wèn)題，還總要去從調(diào)光的電路里去找問(wèn)題，那是徒勞無(wú)益的。

采用降壓型恒流源問(wèn)題會(huì)少一些，因?yàn)槿绻緛?lái)電源電壓高于負(fù)載電壓，當(dāng)亮度是往低調(diào)，負(fù)載電壓是降低的，所以還是需要降壓型恒流源。但是如果調(diào)到非常低的正向電流，LED 的負(fù)載電壓也變得很低，那時(shí)候降壓比非常大，也可能超出了這種降壓型恒流源的正常工作范圍，也會(huì)使它無(wú)法工作而產(chǎn)生閃爍。

1.4 長(zhǎng)時(shí)間工作于低亮度有可能會(huì)使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無(wú)法工作

一般人可能認(rèn)為向下調(diào)光是降低恒流源的輸出功率，所以不可能會(huì)引起降壓型恒流源的功耗加大而溫升增高。殊不知當(dāng)降低正向電流時(shí)所引起的正向電壓降低會(huì)使降壓比降低。而降壓型恒流源的效率是和降壓比有關(guān)的，降壓比越大，效率越低，損耗在芯片上的功耗越大。圖 6 是SLM2842J 的效率和降壓比的關(guān)系曲線。

圖6. 降壓型恒流源的效率和降壓比的關(guān)系

圖中的輸入電壓為35V，輸出電流為2A，當(dāng)輸出電壓為30V 時(shí)，效率可以高達(dá)97.8%。但是當(dāng)輸出電壓降低到20V 時(shí)，效率就降為96%；當(dāng)輸出電壓降低為10V 時(shí)，效率就降低為92%。在這三種情況下，盡管其輸出功率依次為60W，40W 和20W，但是其損耗功率卻依次為1.2W，1.6W，1.6W。后兩種情況下功耗增大了33%。假如恒流模塊的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)得非常臨界，增加33%的耗散功率就有可能會(huì)使芯片的結(jié)溫升高，以致發(fā)生過(guò)溫保護(hù)而無(wú)法工作，嚴(yán)重時(shí)也有可能使芯片燒毀。

1.5 調(diào)節(jié)正向電流無(wú)法得到精確調(diào)光

因?yàn)檎螂娏骱凸廨敵霾⒉皇峭耆汝P(guān)系，而且不同的LED 會(huì)有不同的正向電流和光輸出關(guān)系曲線。所以用調(diào)節(jié)正向電流的方法很難實(shí)現(xiàn)精確的光輸出控制。

二．采用脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)調(diào)光

LED 是一個(gè)二極管，它可以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)。它的開(kāi)關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上。是任何發(fā)光器件所無(wú)法比擬的。因此，只要把電源改成脈沖恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱(chēng)為脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光法。圖7 表示這種脈寬調(diào)制的波形。假如脈沖的周期為tpwm，脈沖寬度為ton，那么其工作比D（或稱(chēng)為孔度比）就是ton/tpwm。改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED 的亮度。