LED灯具的调光技术

bea99

在照明行业，人们对于LED光源的调光往往有个误区，认为LED调光相对容易。而现实是LED光源调光技术在工程中的应用中往往不尽人意，为什么会是这样的情形?是LED光源的调光技术不成熟，还是该技术很难掌握?因此本文通过解析及分析LED 光源的调光技术，来帮助读者全面理解及掌握LED光源的调光及其应用。



LED光源的调光应采用那种技术?我们如何掌握呢?要解答以上问题，首先我们要了解LED的伏安特性。所谓LED的伏安特性，即是流过LED P-N结的电流随电压变化的特性，在示波器上能十分形象地展示这种变化(如图1)，一根完整的伏安曲线包括正向特性与反向特性。通常，反向特性曲线变化较为陡峭，当电压超过某个阈值时，电流会出现指数式上升，从而击穿LED P-N结。而LED的正向电压也是由其正向电流决定的。从LED的伏安特性(图1)可知，正向电流的变化会引起正向电压的相应变化，确切地说，正向电流的减小也会引起正向电压的减小。所以在把电流调低的时候，LED的电压也就跟着降低，这就会改变电源电压和负载电压之间的关系。





因此从LED的伏安特性，我们可得知LED光源的调光不能够简单用降低LED的输入电压或输入电流来实现，另外LED的正弦波的波形有别于白炽灯的波形，因此也不能简单得通过改变其导通角，从而实现改变其有效值(有效调光)的目的。



为了让大家更容易理解以上的观点，举例如下：



例如，在一个输入为24V的LED灯具中，采用了8颗1W的大功率LED串联起来。在正向电流为350mA时，每个LED的正向电压是3.3V，那么8颗串联就是26.4V，因此负载电压比输入电压高，所以应该采用>24V的恒流源。但是，为了要调光，把电流降到100mA，这时候的正向电压只有2.8V，8颗串联为22.4V，负载电压就变成低于输入电压，这样>24V的恒流源就根本无法工作，最后LED就会出现闪烁现象。



这时你可能会选用可降压型(宽电压)恒流源，例如10V-30V恒流源来进行调光，但是这种可降压型(宽电压)恒流源如果调到一个低的正向电压，LED的负载电流也变得很低，因此降压比非常大，超出了这种可降压型(宽电压)恒流源的正常工作范围，也会使它无法工作而产生闪烁。另外可降压型(宽电压)恒流源长时间工作于低亮度，会使可其效率降低及温升增高而无法工作，因为可降压型(宽电压)恒流源的效率是和降压比有关的，降压比越大，效率越低，损耗在芯片上的功耗越大，从而会损害恒流源及LED光源的寿命。很多人因为不了解其中的问题，还总要去从调光的电路里去找问题，那是徒劳无益的。



普通的白炽灯和卤素灯通常采用可控硅来调光。因为白炽灯和卤素灯是一个纯电阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，因为它的电流波形永远和电压波形一样，所以不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。



然而可控硅调光对LED光源的调节会产生意想不到的问题，那就是输入端的LC滤波器会使可控硅产生振荡，这种振荡对于白炽灯是无所谓的，因为白炽灯的热惯性使得人眼根本看不出这种振荡，但是对于LED的驱动电源就会产生音频噪声和闪烁。另外可控硅调光会破坏正弦波的波形，从而降低了其功率因素值(通常低于0.5)，因此可控硅调光大大降低了LED的系统效率。而且可控硅调光的波形加大了谐波系数，非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号(EMI)污染电网，严重的会使电网瘫痪。




读到此处，你可能会问：“降低电压或电流及可控硅调光方式都不适合LED光源调光，那么什么方式才是最合适的呢?”



是模拟(1-10V)调光方式吗?不是。模拟调光面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流，而模拟(1-10V)调光驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差, 这样就会反过来降低输出电流的精度，最终输出电流无法指定、控制或保证。因此保证LED光源的调光效果，其中重要的一点是在一个闭环系统中降低输出电流误差，提高电流精确度。



PWM(脉宽调制)调光方式可以很好的解决以上问题，因为LED是一个二极管，它可以实现快速开关，它可允许的开关速度可以高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度，这种方法称为脉宽调制(PWM)调光法。这种调光方式就像一个以高达微秒以上开关的水闸，由于该水闸开关频率很快，快到我们无法用肉眼识别其开关的状态，其结果是我们只能够通下游水量的多少，才能识别其开关频率的快慢。另外由于该水闸改变的是输出水流的占空比(水流有效流量)，不改变水流的瞬间水压及瞬间流量，因此该水闸的高达微秒以上开关动作不会影响水力发电的工作，因为瞬间水压及瞬间流量不变，改变的是下流的水量及发电的总量。因此，以此类推PWM(脉宽调制)调光方式不改变输入LED PN结的瞬间电压及瞬间电流，改变的是输出电流的占空比，从而改变其亮度。



因此，LED PWM(脉宽调制)调光方式还有以下的优点：



1、不会产生任何LED色谱偏移，因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。



2、有极高的调光精确度，因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。



3、即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比)，更不可能发生过热等问题。



4、可以和数字(DALI/DSI/DMX 512)控制技术相结合来进行控制，因为数字控制信号很容易变换成为一个PWM信号。






虽然LED PWM(脉宽调制)调光方式有很多优点，但是需要注意以下两个问题：



1、脉冲频率的选择，因为LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于100Hz，最好为200Hz。



2、消除调光引起的啸声，虽然200Hz以上人眼无法察觉，可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法，一是把开关频率提高到20kHz以上，跳出人耳听觉的范围。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。



目前已经有些生产LED可调光电源，驱动器及数字控制系统的厂家已经很好得解决了上述问题，如锐高(Tridonic)公司的LED可调光电源及驱动器都采用PWM(脉宽调制)调光技术(图2)，其控制信号均采用DALI(数字可寻址的照明接口)技术,并结合数字照明控制系统，实现全数字化的LED控制产品线。另外TRIDONIC(锐高)最新的基于PL-LED技术的LED光引擎产品(图3)。PL-LED是指TRIDONIC的LED荧光粉创新技术，该技术可以实现在同一LED光源内颜色及色温的变化，同时可以通过软件选定固定的色温(例如：2700K-6200K)或颜色(例如：RGB)并进行调光控制，目前LED应用数字调光技术的最高境界。



好的LED光源调光技术需要有好的LED控制信号技术来匹配及配合，才能成为一个行之有效，稳定可靠的系统。之前提到了LED PWM(脉宽调制)调光方式有一个突出的优点，数字控制信号很容易变换成为一个PWM信号。而在照明的数字控制信号中，DALI(数字可寻址的照明接口)有着其他照明数字控制信号无可比拟的优越性，且也是目前数字控制信号应用在照明行业的主流，开放的国际标准。因此PWM(脉宽调制)调光方式与DALI(数字可寻址的照明接口) 的匹配可谓是“好马配好鞍”，各自发挥着自身的优势，PWM(脉宽调制)调光技术解决好LED光源的最终调光难题，DALI(数字可寻址的照明接口)技术解决了每个LED灯具的控制，反馈及组网。



DALI(数字可寻址的照明接口)技术的最大特点是单个灯具具有独立地址，通过DALI系统软件可对单灯或任意的灯组进行精确的调光及开关控制，不论这些灯具在强电上是同一个回路或不同回路。即照明控制上与强电回路无关，DALI系统软件可对同一强电回路或不同回路上的单或多个灯具进行独立寻址，从而实现单独控制和任意分组。这一理念为照明控制带来极大的灵活性，用户可根据需要随心所欲地设计满足其需求的照明方案，甚至在安装结束后的运行过程中仍可任意修改控制要求，而无须对线路做任何改动。

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