關(guān)于LED調(diào)光技術(shù)的透徹分析

LED照明產(chǎn)品在替代通用白熾燈、節(jié)能燈照明的同時(shí)，除了可調(diào)光外，LED燈的發(fā)光顏色、光輸出、發(fā)光效率等相關(guān)指標(biāo)，與LED驅(qū)動(dòng)的調(diào)光控制方案(例如0-10V，DALI等有關(guān)控制協(xié)議)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、散熱系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)方案以及現(xiàn)有的一些基礎(chǔ)設(shè)施有很大關(guān)聯(lián)，這些都影響到LED調(diào)光過(guò)程中的工作狀態(tài)和調(diào)光控制性能。

目前關(guān)于LED調(diào)光方面有如下幾種技術(shù)：

1、用調(diào)正向電流的方法來(lái)調(diào)亮度

LED調(diào)光顧名思義，可以理解為調(diào)整LED的亮度，調(diào)整LED的亮度，最簡(jiǎn)單的一個(gè)措施就是改變它的工作電流。因?yàn)楦鶕?jù)LED的特性，其亮度與它的工作電流基本上成正比關(guān)系。圖1中顯示的是美國(guó)知名芯片公司Cree公司的一款大功率LED芯片XlampXP-G的輸出相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系。

圖1 XLampXP-G的輸出相對(duì)光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系

由上圖可知，在LED光輸出100%的時(shí)候，其工作電流為350mA，那么當(dāng)其工作電流降低到200mA時(shí)，其光輸出就大約是60%，當(dāng)其工作電流降低到100mA時(shí)，光輸出降低到大約25%。因此改變LED的正向電流大小可以很容易的實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)。

1.1調(diào)節(jié)正向電流的方法

分析目前LED供電系統(tǒng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本上所有的LED驅(qū)動(dòng)芯片都有一個(gè)接口用來(lái)檢測(cè)電流，這個(gè)接口的工作原理是通過(guò)檢測(cè)到輸出的電流檢測(cè)電阻上的電壓來(lái)和芯片內(nèi)部的參考電壓比較，從而達(dá)到控制輸出電流恒定的目的。這也是說(shuō)調(diào)節(jié)LED的電流，最簡(jiǎn)單的方法就是改變和LED負(fù)載串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻(圖2a)，就可以達(dá)到調(diào)光的目的。然后根據(jù)由于考慮系統(tǒng)整體效率的因素，這個(gè)檢測(cè)電阻的值通常很小，往往只有幾歐甚至只有零點(diǎn)幾歐，通過(guò)在墻壁上安裝一個(gè)幾歐甚至零點(diǎn)幾歐的電位器來(lái)調(diào)節(jié)電流是不太現(xiàn)實(shí)的一種做法，因?yàn)檫B接LED燈和電位器之間的引線電阻也會(huì)有零點(diǎn)幾歐了。

此外，有些芯片因此提供了一個(gè)控制電壓的接口，改變輸入的控制電壓就可以改變其輸出恒流值。例如凌特公司的LT3478(圖2b)只要改變R1和R2的比值，從而改變其芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，也可以改變其輸出的恒流值。然而這種做法因其電路連接方式的特殊性，很難大范圍應(yīng)用到實(shí)際照明應(yīng)用系統(tǒng)中。

圖2 輸出恒流值的調(diào)節(jié)

2、采用脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)調(diào)光

不同于傳統(tǒng)白熾燈等類(lèi)似線性阻抗光源，LED燈是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)的二極管，其開(kāi)關(guān)速度基本上在us以上。這是其他傳統(tǒng)光源的發(fā)光器件根本無(wú)法比擬的。因此針對(duì)于此，如果把驅(qū)動(dòng)電源改成脈沖恒流源，通過(guò)改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法被稱(chēng)為脈寬調(diào)制調(diào)光法，也就是PWM調(diào)光。如下圖3所示為這種PWM脈寬調(diào)制的波形。

圖3 用改變脈沖寬度的方法來(lái)改變LED的亮度

為實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，經(jīng)過(guò)研究實(shí)驗(yàn)，通常的做法是在LED的負(fù)載中串入一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管，LED的供電是用一個(gè)恒流源供電。

圖4 用PWM信號(hào)快速通斷LED串

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能時(shí)，芯片內(nèi)部發(fā)出一個(gè)PWM信號(hào)加到MOS管的柵極，從而能夠快速的開(kāi)關(guān)串聯(lián)的LED，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。隨著市場(chǎng)應(yīng)用的不斷成熟，很多公司在開(kāi)發(fā)這些類(lèi)似的恒流芯片時(shí)，都會(huì)在芯片上附加一個(gè)PWM的接口，可以直接接受外部提供的PWM信號(hào)，以此來(lái)控制輸出MOS開(kāi)關(guān)管。

3、采用交流電源的LED調(diào)光

分析傳統(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)舻日{(diào)光系統(tǒng)，因?yàn)榕cLED燈相比，白熾燈和鹵素?zé)羰羌冏栊云骷@也就意味著它的電流波形和電壓波形永遠(yuǎn)是一樣的，當(dāng)采用可控硅來(lái)調(diào)光時(shí)，輸入電壓波形因可控硅導(dǎo)通角度變化而偏離正弦波，也就是改變輸入電壓的有效值，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。

其電原理圖如圖5所示。虛線部分就是安裝在墻上的可控硅調(diào)光開(kāi)關(guān)。a-b之間的電阻就是白熾燈負(fù)載。所以可控硅開(kāi)關(guān)直接與負(fù)載是串聯(lián)的。

圖5 可控硅調(diào)光的電路圖和波形圖

可控硅電位器中帶一個(gè)開(kāi)關(guān)，接在n的輸入端，用于控制燈的開(kāi)關(guān)?？煽毓鑼?dǎo)通過(guò)程中，改變其內(nèi)部可調(diào)電阻的分壓比，改變其導(dǎo)通角，就可以改變其輸出電壓有效值，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。除了可控硅以外，還有晶體管前沿、后沿調(diào)光技術(shù)等，基本原理都差不多。

小結(jié)

照明市場(chǎng)發(fā)展到現(xiàn)在，伴隨著人們節(jié)能意識(shí)的不斷加強(qiáng)，加上市場(chǎng)的需求，人們對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的功能化越來(lái)越多，其中照明調(diào)光顯得尤為明顯。調(diào)光具有節(jié)能的有點(diǎn)，人們可以根據(jù)實(shí)際的亮度需求，通過(guò)相關(guān)的控制，即可獲取其想要的亮度。相對(duì)于傳統(tǒng)照明燈具如白熾燈、節(jié)能燈等，LED照明產(chǎn)品的調(diào)光節(jié)能效果更為明顯。白熾燈、節(jié)能燈在調(diào)光的過(guò)程中其工作效率發(fā)生明顯的下降現(xiàn)象，而LED燈恰恰相反，在調(diào)光過(guò)程中其發(fā)光效率反而會(huì)提高，這主要是因?yàn)樵谡{(diào)光過(guò)程中，當(dāng)LED燈在低發(fā)光亮度時(shí)，通過(guò)LED的正向電流變小，系統(tǒng)供電電路中相關(guān)回路上電阻成份上的損耗降低了，相應(yīng)的系統(tǒng)的效率就提高了。因此針對(duì)LED的調(diào)光技術(shù)的研究，還需要我們做更多的研究和分析。