一些你必須知道LED調光知識
加入技術(shù)交流群
LED光源的調光應采用那種技術(shù)?我們如何掌握呢?要解答以上問(wèn)題，首先我們要了解LED的伏安特性。
所謂LED的伏安特性，即是流過(guò)LED P-N結的電流隨電壓變化的特性，在示波器上能十分形象地展示這種變化(如圖1)，一根完整的伏安曲線(xiàn)包括正向特性與反向特性。通常，反向特性曲線(xiàn)變化較為陡峭，當電壓超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，電流會(huì )出現指數式上升，從而擊穿LED P-N結。而LED的正向電壓也是由其正向電流決定的。從LED的伏安特性(圖1)可知，正向電流的變化會(huì )引起正向電壓的相應變化，確切地說(shuō)，正向電流的減小也會(huì )引起正向電壓的減小。所以在把電流調低的時(shí)候，LED的電壓也就跟著(zhù)降低，這就會(huì )改變電源電壓和負載電壓之間的關(guān)系。
圖一 LED伏安特性
因此從LED的伏安特性，我們可得知LED光源的調光不能夠簡(jiǎn)單用降低LED的輸入電壓或輸入電流來(lái)實(shí)現，另外LED的正弦波的波形有別于白熾燈的波形，因此也不能簡(jiǎn)單得通過(guò)改變其導通角，從而實(shí)現改變其有效值(有效調光)的目的。
為了讓大家更容易理解以上的觀(guān)點(diǎn)，舉例如下：
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，因此負載電壓比輸入電壓高，所以應該采用>24V的恒流源。但是，為了要調光，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，負載電壓就變成低于輸入電壓，這樣>24V的恒流源就根本無(wú)法工作，最后LED就會(huì )出現閃爍現象。
這時(shí)你可能會(huì )選用可降壓型(寬電壓)恒流源，例如10V-30V恒流源來(lái)進(jìn)行調光，但是這種可降壓型(寬電壓)恒流源如果調到一個(gè)低的正向電壓，LED的負載電流也變得很低，因此降壓比非常大，超出了這種可降壓型(寬電壓)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。另外可降壓型(寬電壓)恒流源長(cháng)時(shí)間工作于低亮度，會(huì )使可其效率降低及溫升增高而無(wú)法工作，因為可降壓型(寬電壓)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，從而會(huì )損害恒流源及LED光源的壽命。很多人因為不了解其中的問(wèn)題，還總要去從調光的電路里去找問(wèn)題，那是徒勞無(wú)益的。
普通的白熾燈和鹵素燈通常采用可控硅來(lái)調光。因為白熾燈和鹵素燈是一個(gè)純電阻器件，它不要求輸入電壓一定是正弦波，因為它的電流波形永遠和電壓波形一樣，所以不管電壓波形如何偏離正弦波，只要改變輸入電壓的有效值，就可以調光。
然而可控硅調光對LED光源的調節會(huì )產(chǎn)生意想不到的問(wèn)題，那就是輸入端的LC濾波器會(huì )使可控硅產(chǎn)生振蕩，這種振蕩對于白熾燈是無(wú)所謂的，因為白熾燈的熱慣性使得人眼根本看不出這種振蕩，但是對于LED的驅動(dòng)電源就會(huì )產(chǎn)生音頻噪聲和閃爍。另外可控硅調光會(huì )破壞正弦波的波形，從而降低了其功率因素值(通常低于0.5)，因此可控硅調光大大降低了LED的系統效率。而且可控硅調光的波形加大了諧波系數，非正弦的波形會(huì )在線(xiàn)路上產(chǎn)生嚴重的干擾信號(EMI)污染電網(wǎng)，嚴重的會(huì )使電網(wǎng)癱瘓。
讀到此處，你可能會(huì )問(wèn)：“降低電壓或電流及可控硅調光方式都不適合LED光源調光，那么什么方式才是最合適的呢?”。
是模擬(1-10V)調光方式嗎?不是。模擬調光面臨著(zhù)一個(gè)嚴峻的挑戰，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅動(dòng)都要用到某種串聯(lián)電阻來(lái)辨別電流，而模擬(1-10V)調光驅動(dòng)中的容差、偏移和延遲導致了一個(gè)相對固定的誤差, 這樣就會(huì )反過(guò)來(lái)降低輸出電流的精度，最終輸出電流無(wú)法指定、控制或保證。因此保證LED光源的調光效果，其中重要的一點(diǎn)是在一個(gè)閉環(huán)系統中降低輸出電流誤差，提高電流精確度。
PWM(脈寬調制)調光方式可以很好的解決以上問(wèn)題，因為L(cháng)ED是一個(gè)二極管，它可以實(shí)現快速開(kāi)關(guān)，它可允許的開(kāi)關(guān)速度可以高達微秒以上，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)為脈寬調制(PWM)調光法。這種調光方式就像一個(gè)以高達微秒以上開(kāi)關(guān)的水閘，由于該水閘開(kāi)關(guān)頻率很快，快到我們無(wú)法用肉眼識別其開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，其結果是我們只能夠通下游水量的多少，才能識別其開(kāi)關(guān)頻率的快慢。另外由于該水閘改變的是輸出水流的占空比(水流有效流量)，不改變水流的瞬間水壓及瞬間流量，因此該水閘的高達微秒以上開(kāi)關(guān)動(dòng)作不會(huì )影響水力發(fā)電的工作，因為瞬間水壓及瞬間流量不變，改變的是下流的水量及發(fā)電的總量。因此，以此類(lèi)推PWM(脈寬調制)調光方式不改變輸入LED PN結的瞬間電壓及瞬間電流，改變的是輸出電流的占空比，從而改變其亮度。
因此，LED PWM(脈寬調制)調光方式還有以下的優(yōu)點(diǎn)：
1、不會(huì )產(chǎn)生任何LED色譜偏移，因為L(cháng)ED始終工作在滿(mǎn)幅度電流和0之間。
2、有極高的調光精確度，因為脈沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現萬(wàn)分之一的精度。
3、即使在很大范圍內調光，也不會(huì )發(fā)生閃爍現象。因為不會(huì )改變恒流源的工作條件(升壓比或降壓比)，更不可能發(fā)生過(guò)熱等問(wèn)題。
4、可以和數字(DALI/DSI/DMX 512)控制技術(shù)相結合來(lái)進(jìn)行控制，因為數字控制信號很容易變換成為一個(gè)PWM信號。
雖然LED PWM(脈寬調制)調光方式有很多優(yōu)點(diǎn)，但是需要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：
1、脈沖頻率的選擇，因為L(cháng)ED是處于快速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，假如工作頻率很低，人眼就會(huì )感到閃爍。為了充分利用人眼的視覺(jué)殘留現象，它的工作頻率應當高于100Hz，最好為200Hz。
2、消除調光引起的嘯聲，雖然200Hz以上人眼無(wú)法察覺(jué)，可是一直到20kHz卻都是人耳聽(tīng)覺(jué)的范圍。這時(shí)候就有可能會(huì )聽(tīng)到絲絲的聲音。解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法，一是把開(kāi)關(guān)頻率提高到20kHz以上，跳出人耳聽(tīng)覺(jué)的范圍。另一種方法是找出發(fā)聲的器件而加以處理。
目前已經(jīng)有些生產(chǎn)LED可調光電源，驅動(dòng)器及數字控制系統的廠(chǎng)家已經(jīng)很好得解決了上述問(wèn)題，如銳高(Tridonic)公司的LED可調光電源及驅動(dòng)器都采用PWM(脈寬調制)調光技術(shù)(圖2)，其控制信號均采用DALI(數字可尋址的照明接口)技術(shù),并結合數字照明控制系統，實(shí)現全數字化的LED控制產(chǎn)品線(xiàn)。另外TRIDONIC(銳高)最新的基于PL-LED技術(shù)的LED光引擎產(chǎn)品(圖3)。PL-LED是指TRIDONIC的LED熒光粉創(chuàng )新技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現在同一LED光源內顏色及色溫的變化，同時(shí)可以通過(guò)軟件選定固定的色溫(例如：2700K-6200K)或顏色(例如：RGB)并進(jìn)行調光控制，目前LED應用數字調光技術(shù)的最高境界。
圖二 LED可調光電源
評論