LED的調(diào)光原理分析與設(shè)計實例
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2.1 如何實現(xiàn)PWM調(diào)光
具體實現(xiàn)PWM調(diào)光的方法就是在LED的負(fù)載中串入一個MOS開關(guān)管（圖8），這串LED的陽極用一個恒流源供電。
圖8. 用PWM信號快速通斷LED串
然后用一個PWM信號加到MOS管的柵極，以快速地開關(guān)這串LED。從而實現(xiàn)調(diào)光。也有不少恒流芯片本身就帶一個PWM的接口，可以直接接受PWM信號，再輸出控制MOS開關(guān)管。那么這種PWM調(diào)光方法有那些優(yōu)缺點(diǎn)呢？
2.2脈寬調(diào)制調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)
1．不會產(chǎn)生任何色譜偏移。因為LED始終工作在滿幅度電流和0之間。
2．可以有極高的調(diào)光精確度。因為脈沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實現(xiàn)萬分之一的精度。
3．可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行控制。因為任何數(shù)字都可以很容易變換成為一個PWM信號。
4． 即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光，也不會發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因為不會改變恒流源的工作條件（升壓比或降壓比），更不可能發(fā)生過熱等問題。
2.3 脈寬調(diào)光要注意的問題
1． 脈沖頻率的選擇 因為LED 是處于快速開關(guān)狀態(tài)，假如工作頻率很低，人眼就會感到閃爍。為了充分利用人眼的視覺殘留現(xiàn)象，它的工作頻率應(yīng)當(dāng)高于100Hz，最好為200Hz。
2． 消除調(diào)光引起的嘯聲： 雖然200Hz 以上人眼無法察覺，可是一直到20kHz卻都是人耳聽覺的范圍。這時候就有可能會聽到絲絲的聲音。解決這個問題有兩種方法，一是把開關(guān)頻率提高到 20kHz 以上，跳出人耳聽覺的范圍。但是頻率過高也會引起一些問題，因為各種寄生參數(shù)的影響，會使脈沖波形（前后沿）產(chǎn)生畸變。這就降低了調(diào)光的精確度。另一種方法是找出發(fā)聲的器件而加以處理。實際上，主要的發(fā)聲器件是輸出端的陶瓷電容，因為陶瓷電容通常都是由高介電常數(shù)的陶瓷所做成，這類陶瓷都具有壓電特性。在 200Hz 的脈沖作用下就會產(chǎn)生機(jī)械振動而發(fā)聲。解決的方法是采用鉭電容來代替。不過，高耐壓的鉭電容很難得到，而且價錢很貴，會增加一些成本。
第二部分 采用交流電源的LED 調(diào)光
三．用可控硅對LED 調(diào)光
普通的白熾燈和鹵素?zé)敉ǔ２捎每煽毓鑱碚{(diào)光。因為白熾燈和鹵素?zé)羰且粋€純阻器件，它不要求輸入電壓一定是正弦波，因為它的電流波形永遠(yuǎn)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(diào)光。采用可控硅就是對交流電的正弦波加以切割而達(dá)到改變其有效值的目的。其電原理圖如圖9 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。所以負(fù)載是和可控硅開關(guān)串聯(lián)的。
控制開關(guān)
圖9. 可控硅調(diào)光的電路圖和波形圖
改變可變電阻的分壓比就可以改變其導(dǎo)通角，從而實現(xiàn)改變其有效值的目的。通常這個電位器帶一個開關(guān)，接在n 的輸入端，用于開關(guān)燈。除了可控硅以外，還有晶體管后沿調(diào)光技術(shù)等等，因為它們的基本問題是相同的，就不在此介紹了。
3.1 可控硅調(diào)光的缺點(diǎn)和問題
然而，可控硅調(diào)光存在一系列問題。
1． 可控硅破壞了正弦波的波形，從而降低了功率因素值，通常PF 低于0.5，而且導(dǎo)通角越小時功率因素越差（1/4 亮度時只有0.25）。
2． 同樣，非正弦的波形加大了諧波系數(shù)。
3． 非正弦的波形會在線路上產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾信號（EMI）
4． 在低負(fù)載時很容易不穩(wěn)定，為此還必須加上一個泄流電阻。而這個泄流電阻至少要消耗1-2瓦的功率。
5． 在普通可控硅調(diào)光電路輸出到LED的驅(qū)動電源時還會產(chǎn)生意想不到的問題，那就是輸入端的LC濾波器會使可控硅產(chǎn)生振蕩，這種振蕩對于白熾燈是無所謂的，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(qū)動電源就會產(chǎn)生音頻噪聲和閃爍。
3.2 可控硅調(diào)光的優(yōu)勢
可控硅調(diào)光雖然有那么多的缺點(diǎn)和問題，但是，它卻有著一定的的優(yōu)勢，那就是它已經(jīng)和白熾燈鹵素?zé)艚Y(jié)成了聯(lián)盟，占據(jù)了很大的調(diào)光市場。如果LED想要取代可控硅調(diào)光的白熾燈和鹵素?zé)魺艟叩奈恢?，就也要和可控硅調(diào)光兼容。
具體來說，在一些已經(jīng)安裝了可控硅調(diào)光的白熾燈或鹵素?zé)舻牡胤剑瑝ι弦呀?jīng)安裝了可控硅的調(diào)光開關(guān)和旋鈕，墻壁里也已經(jīng)安裝了通向燈具的兩根連接線。要更換墻上的可控硅開關(guān)和要增加連接線的數(shù)目都不是那么容易，最簡單的方法就是什么都不變，只要把燈頭上的白熾燈擰下，換上帶有兼容可控硅調(diào)光功能的LED燈泡就可以。這種戰(zhàn)略就像LED日光燈一樣，最好做成和現(xiàn)在的T10、T8熒光燈尺寸大小完全一樣，不需要專業(yè)電工，普通老百姓就可以直接更換，那就可以很快普及。因此國外很多生產(chǎn)LED驅(qū)動IC的廠商都開發(fā)出了可以兼容現(xiàn)有可控硅調(diào)光的IC來。
3.3 兼容可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動IC
目前市場上主要有恩智浦的SSL2101/2，國半的LM3445，iWatt的iW3610和OnSemi的NCL3000四種兼容可控硅調(diào)光的驅(qū)動IC。其特點(diǎn)如下
和一般反激式的IC不同之處在于它們都可以檢測出可控硅的導(dǎo)通角來確定LED的電流以進(jìn)行調(diào)光，我們不準(zhǔn)備來詳細(xì)介紹它們的工作原理和性能，因為我們并不認(rèn)為這是LED調(diào)光的方向。
3.4 兼容可控硅調(diào)光的問題和缺點(diǎn)
盡管多個跨國大芯片公司都推出了兼容現(xiàn)有可控硅調(diào)光的芯片和解決方案。但是這類解決方案是不值得推薦的，主要原因如下：
1． 可控硅技術(shù)是具有半個多世紀(jì)的陳舊技術(shù)，它具有很多如前所述的缺點(diǎn)，是一種早該淘汰的技術(shù)。它應(yīng)該和白熾燈、鹵素?zé)敉瑫r退出歷史舞臺。
2． 很多這類芯片自稱具有PFC，可以改善功率因素，實際上，它只改善了作為可控硅負(fù)載的功率因素，使它們看上去接近純阻的白熾燈和鹵素?zé)?，而并沒有改善包括可控硅在內(nèi)的整個系統(tǒng)的功率因素。
3． 所有兼容可控硅的LED調(diào)光系統(tǒng)的整體效率都十分低下，有些還沒有考慮為了穩(wěn)定工作而需要的泄流電阻的損耗，完全損壞了LED的高能效。
4． 所有的可控硅LED調(diào)光系統(tǒng)也都是調(diào)節(jié)LED的正向電流，存在著前面所述的色譜偏移等缺點(diǎn)。
5． 安裝可控硅調(diào)光的白熾燈和鹵素?zé)羲嫉谋壤坏饺f分之一，而在墻里安裝可控硅開關(guān)的比例在可控硅調(diào)光的燈具里連萬分之一都不到，因為絕大多數(shù)安裝可控硅調(diào)光的都是臺燈、床頭燈、立燈。更何況市面上有幾十種不同規(guī)格的可控硅和晶體管調(diào)光開關(guān)，實際上所開發(fā)的IC根本不可能兼容所有的可控硅開關(guān)，而只能兼容其中的一小部分。
6． LED是一種全新的創(chuàng)世紀(jì)的技術(shù)，它有著無可比擬的優(yōu)越性。完全沒有必要為了照顧落后的可控硅而犧牲LED的優(yōu)點(diǎn)。更不應(yīng)該去新安裝墻上的可控硅開關(guān)來實現(xiàn)LED的調(diào)光。
四．未來的LED調(diào)光系統(tǒng)
那么LED究竟應(yīng)該采用什么樣的調(diào)光系統(tǒng)呢？
4.1 PWM調(diào)光：
前面已經(jīng)說過LED調(diào)光最好是采用PWM調(diào)光，采用PWM調(diào)光時，可以在墻上開關(guān)里安裝一個簡單的 PWM發(fā)生器，然后利用電位器來控制PWM的工作比從而實現(xiàn)調(diào)光。但是如果還要開關(guān)燈的亮滅，那么就需要再加一對線。所以無法兼容原來墻里的的可控硅開關(guān)的引線。原來的可控硅開關(guān)的引線只有2根，就可以又能調(diào)光又能開關(guān)。這個優(yōu)點(diǎn)是很難兼容的。不過實際上真正最常用的調(diào)光燈具是臺燈或立燈，那些調(diào)光開關(guān)都是安裝在電源線上不是墻里，那也就無所謂要利用墻里的兩根引線了。也就是說，PWM調(diào)光是可以直接應(yīng)用于調(diào)光型臺燈的。
4.2 分段式開關(guān)調(diào)光
臺灣有一家公司推出了一種稱之為EZ-Dimming的GM6182的四段開關(guān)調(diào)光不失為一種好方案。它只利用墻上的普通電燈開關(guān)就能實現(xiàn)4段調(diào)光，第一次開為全亮，第二次開為60%亮度，第三次開為40%亮度，第四次開為20%亮度。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可以利用普通的墻上開關(guān)實現(xiàn)調(diào)光。而且其功率因素高達(dá) 0.92以上。沒有產(chǎn)生干擾信號之慮。缺點(diǎn)是無法連續(xù)調(diào)光。還有操作麻煩一些。
4.3 遙控式調(diào)光
采用紅外遙控器對LED實現(xiàn)調(diào)光。這當(dāng)然是最理想的解決方案。可以實現(xiàn)開關(guān)燈，和用PWM連續(xù)調(diào)光。缺點(diǎn)是成本高，沒有統(tǒng)一規(guī)格，只能用于高檔住宅。
其實我們應(yīng)當(dāng)回過來想一想我們要調(diào)光的主要目的應(yīng)當(dāng)是什么。前面所有提到的調(diào)光目的都是為了滿足居家的人們在不同場合下需要不同的光強(qiáng)。例如看電視的時候可能要暗一些，看書的時候可能要亮一些。這些大多是在住宅里。很少有辦公室、商場、工廠、學(xué)校安裝調(diào)光燈的。而且這些地方絕大多數(shù)安裝的是熒光燈、節(jié)能燈，也不可能進(jìn)行調(diào)光或者很難實現(xiàn)連續(xù)調(diào)光。
五．劃時代的為節(jié)能而調(diào)光
自從人類意識到一定要千方百計節(jié)能減排，才能解決大氣變暖的迫切問題后，如何減少照明用電就作為一個重要的問題提到日程上來。因為照明用電占總能耗的 20%。幸好出現(xiàn)了高效節(jié)能的LED，LED本身比白熾燈節(jié)能5倍以上，比熒光燈、節(jié)能燈也要節(jié)能一倍左右，還不像熒光燈、節(jié)能燈那樣含汞。如果還能夠利用調(diào)光來節(jié)能，那么也是非常重要的節(jié)能手段。但過去所有光源都很不容易實現(xiàn)調(diào)光，而容易調(diào)光正是LED的一個很大的優(yōu)點(diǎn)。因為在很多場合其實不需要開燈或者至少不需要那么亮，可是燈卻開得很亮，例如半夜到黎明時段的路燈；地鐵車廂從地下開到郊區(qū)地面時車廂里的照明燈；更常見的是在陽光明媚時靠近窗口的辦公室、學(xué)校、工廠等的熒光燈都還開在那里。這些地方每天不知道要浪費(fèi)多少電能！過去因為高壓鈉燈、熒光燈、吸頂燈、節(jié)能燈根本無法調(diào)光，也只能算了。現(xiàn)在改用LED以后，可以自如調(diào)光了，這些電能完全可以節(jié)省下來！
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