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的輸出相對光強(qiáng)和正向電流的關(guān)系。

圖1 XLampXP-G的輸出相對光強(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)接口用來檢測電流，這個(gè)接口的工作原理是通過檢測到輸出的電流檢測電阻上的電壓來和芯片內(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。這也是說調(diào)節(jié)LED的電流，最簡單的方法就是改變和LED負(fù)載串聯(lián)的電流檢測電阻(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，通過在墻壁上安裝一個(gè)幾歐甚至零點(diǎn)幾歐的電位器來調(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)來調(diào)光

不同于傳統(tǒng)白熾燈等類似線性阻抗光源，LED燈是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)的二極管，其開關(guān)速度基本上在us以上。這是其他傳統(tǒng)光源的發(fā)光器件根本無法比擬的。因此針對于此，如果把驅(qū)動(dòng)電源改成脈沖恒流源，通過改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法被稱為脈寬調(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改變LED的亮度

為實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，經(jīng)過研究實(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。隨著市場應(yīng)用的不斷成熟，很多公司在開發(fā)這些類似的恒流芯片時(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)，以此來控制輸出MOS開關(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)光開關(guān)。a-b之間的電阻就是白熾燈負(fù)載。所以可控硅開關(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)開關(guān)，接在n的輸入端，用于控制燈的開關(guān)?？煽毓鑼?dǎo)通過程中，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)，加上市場的需求，人們對整個(gè)照明系統(tǒng)的功能化越來越多，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，通過相關(guān)的控制，即可獲取其想要的亮度。相對于傳統(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)光過程中，當(dāng)LED燈在低發(fā)光亮度時(shí)，通過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。