LED調(diào)光的實(shí)現(xiàn)與相關(guān)問題探討

1 LED市場(chǎng)與技術(shù)進(jìn)展

由于白熾燈的發(fā)光效率低，所以世界各國(guó)政府紛紛制定了如圖1所示淘汰白熾燈的時(shí)刻表，而LED的發(fā)光效率高和工作壽命長(zhǎng)的一系列優(yōu)點(diǎn)使LED照明得到了廣泛的應(yīng)用，LED的性能和發(fā)光效率不斷提升，LED有關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)展預(yù)測(cè)如表1所示。

圖1 世界各國(guó)淘汰白熾燈的時(shí)刻表

2 照明調(diào)光

調(diào)光具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，照明調(diào)光在應(yīng)用中有很好的市場(chǎng)，相對(duì)白熾燈/氣體放電燈，LED的調(diào)光節(jié)能效果更明顯。白熾燈/氣體放電燈調(diào)光工作時(shí)燈的工作效率有明顯下降，而LED調(diào)光的發(fā)光效率會(huì)提高，這主要是由于在低發(fā)光亮度時(shí)通過LED的正向電流較小，在有關(guān)回路電阻成份上的損耗降低的原因。照明調(diào)光不僅節(jié)能，照明調(diào)光還可以改變空間視覺效果，從而影響人的行為模式。

但是，LED調(diào)光電路的設(shè)計(jì)對(duì)LED調(diào)光的性能發(fā)揮有很重要的影響。高性能調(diào)光器受到用戶的歡迎，下面討論LED可控硅調(diào)光的有關(guān)問題。

2.1 LED調(diào)光

LED由于具體很好的演色性、發(fā)光效率、體積小、低工作電壓和工作壽命長(zhǎng)的一系列優(yōu)點(diǎn)得到了很好的應(yīng)用，然而，調(diào)光控制標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)LED調(diào)光應(yīng)用的推廣很重要。由于白熾燈的可控硅調(diào)光得到了很好的應(yīng)用，LED調(diào)光應(yīng)和可控硅調(diào)光能很好地配合使用，以利用現(xiàn)有的白熾燈可控硅調(diào)光器。

LED用于替代通用白熾燈照明，LED調(diào)光和LED的發(fā)光顏色、LED的光輸出、LED的發(fā)光效率(調(diào)光曲線)等因素有關(guān)；有關(guān)調(diào)光控制方法(例如0-10V，DALI等有關(guān)控制協(xié)議)、散熱管理、驅(qū)動(dòng)方案、拓?fù)浼軜?gòu)和已有的基礎(chǔ)設(shè)施等因素對(duì)LED調(diào)光的工作狀態(tài)和調(diào)光控制性能有很大的影響。

2.2 LED調(diào)光性能

由于人們用慣了白熾燈可控硅調(diào)光器，所以LED調(diào)光器應(yīng)能兼容可控硅調(diào)光器，并應(yīng)考慮以下技術(shù)指標(biāo)：

(1)調(diào)光范圍

調(diào)光范圍常用最大亮度值的百分比表示，例如X%—XX%。在實(shí)用中，隨著燈發(fā)光亮度的降低人眼瞳孔會(huì)放大，這樣人眼接收的光線并不很快隨燈發(fā)光亮度的降低而降低，如表示為最大發(fā)光亮度級(jí)的百分?jǐn)?shù)，則人眼接收的光是測(cè)得光百分?jǐn)?shù)的均方根值。例如，測(cè)得調(diào)光電平為最大發(fā)光值的10%，則人眼接收的光為的最大發(fā)光值，即所謂的心理物理學(xué)定律。

(2)在整個(gè)調(diào)光范圍應(yīng)平滑調(diào)光變化。

(3)燈在最低調(diào)光電平時(shí)啟動(dòng)燈發(fā)光應(yīng)很快達(dá)到預(yù)定的發(fā)光值。

(4)達(dá)到預(yù)定的調(diào)光電平后LED燈發(fā)光應(yīng)穩(wěn)定，不應(yīng)有發(fā)光閃爍現(xiàn)象。

(5)在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)，LED燈、LED驅(qū)動(dòng)電源和調(diào)光控制器不應(yīng)有可聞噪聲。

(6)運(yùn)動(dòng)控制/有無(wú)人檢測(cè)/光電檢測(cè)等部件能控制LED燈的工作。

2.3 工作可靠性

調(diào)光對(duì)大部分光源而言，可以延長(zhǎng)其使用壽命，因?yàn)樵诘桶l(fā)光亮度下燈的功耗和發(fā)熱降低了，有利于提高光源的使用壽命。

溫度對(duì)電子元器件的壽命有重要的影響，低溫對(duì)延長(zhǎng)電子元器件的壽命有幫助，LED燈為燈和電子元器件的一體的燈，所以整體燈的壽命受壽命最短的電子元器件的壽命制約，調(diào)光有利于降低LED燈的溫度，有利于LED燈的光通量維持率和延長(zhǎng)LED燈的使用壽命。

3 相控調(diào)光

相控調(diào)光最早用于白熾燈調(diào)光，相控調(diào)光的主要優(yōu)點(diǎn)是使用、安裝方便。LED相控調(diào)光的頻率應(yīng)不低于100Hz，以避免人眼感到發(fā)光閃爍，相控導(dǎo)通角越大則LED的發(fā)光亮度越大，相控半導(dǎo)體器件可用可控硅、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或有關(guān)半導(dǎo)體器件。

由于現(xiàn)有的調(diào)光器被設(shè)計(jì)用于白熾燈(近似電阻負(fù)載，功率大多在20W和50W之間)，因此需要一些額外的電路才能允許它們用于LED照明系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上還沒有白熾燈調(diào)光器標(biāo)準(zhǔn)，因此目前市場(chǎng)上有大量不同性能和參數(shù)值的調(diào)光器。

3.1 前沿相控調(diào)光

前沿相控調(diào)光(前相調(diào)光)由于電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單所以得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)器件常用可控硅，通過控制可控硅的導(dǎo)通角來(lái)控制輸出的交流電有效值，從而達(dá)到調(diào)光控制，典型可控硅前沿相控調(diào)光電路原理圖如圖2所示。在圖2中，可調(diào)電阻VR4和電容C23構(gòu)成移相電路。當(dāng)C23兩端的電壓達(dá)到或超過DIAC(DB3)的擊穿電壓時(shí)，C23電荷通過DB3部分注入雙向可控硅T2，雙向可控硅T2被觸發(fā)導(dǎo)通。

雙向可控硅T2的最低門觸發(fā)電流(IGT)使雙向晶閘管導(dǎo)通。它還要求有一個(gè)最低的維持電流來(lái)維持雙向可控硅的導(dǎo)通，當(dāng)電流低于維持電流時(shí)，雙向可控硅T2被關(guān)閉。

可控硅前沿相控調(diào)光調(diào)光波形圖如圖3所示，前沿相控調(diào)光常用于白熾燈和鹵鎢燈調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合，由于在低調(diào)光亮度時(shí)通過可控硅的電流減小，如調(diào)光亮度很低，通過可控硅的電流低于可控硅的維持導(dǎo)通電流時(shí)就不能再調(diào)光，否則可控硅關(guān)斷，這對(duì)低調(diào)光亮度LED調(diào)光可能是個(gè)問題。

相控后沿和前沿調(diào)光器特點(diǎn)如表2所示

4 評(píng)價(jià)可控硅相控LED可調(diào)光系統(tǒng)時(shí)需注意的有關(guān)問題

常見評(píng)價(jià)可控硅相控LED可調(diào)光系統(tǒng)時(shí)需注意的有關(guān)問題如下。

4.1 100%光輸出

當(dāng)調(diào)光器調(diào)至100%位置時(shí)和不可調(diào)光輸出時(shí)光輸出衰減了多少？

4.2 最大調(diào)光級(jí)

可調(diào)光LED照明系統(tǒng)的最大調(diào)光級(jí)是多少？

4.3 調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍和光輸出特性

(1)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍是多少？相應(yīng)LED的調(diào)光范圍是多少？

(2)在關(guān)斷調(diào)光器前，在低光輸出調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)光光輸出不變的物理調(diào)節(jié)范圍是多少？

(3)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)位置、光輸出和加到LED燈負(fù)載上的電壓有效值(相位角、導(dǎo)通時(shí)間、占空比等)是否有關(guān)系？

4.4 調(diào)光器可調(diào)光的LED數(shù)量范圍/最低負(fù)載

(1)調(diào)光器可正常調(diào)光的LED負(fù)載數(shù)量范圍是多少？

(2)白熾燈可控硅調(diào)光器可帶的最小負(fù)載和可控硅的維持電流有關(guān)，在最低LED調(diào)光亮度時(shí)LED的最小工作電流能否滿足可控硅的維持電流要求？

4.5 浪涌電流

對(duì)白熾燈可控硅調(diào)光而言，它的浪涌輸入電流和白熾燈燈絲的冷電阻有關(guān)，對(duì)LED調(diào)光負(fù)載時(shí)這個(gè)浪涌輸入電流值要比白熾燈可控硅調(diào)光要小，以確保可控硅調(diào)光電路可靠工作。

4.6 重復(fù)峰值電壓

可控硅的耐壓值有限，使用時(shí)應(yīng)確保LED應(yīng)用時(shí)的重復(fù)峰值電壓低于白熾燈可控硅調(diào)光器的重復(fù)峰值電壓，以確保可控硅調(diào)光電路可靠工作。

4.7 最小調(diào)光范圍

在可控硅調(diào)光器的最低調(diào)光位置LED是否還導(dǎo)通。

4.8 LED不發(fā)光的調(diào)光位置

在實(shí)用中，在可控硅調(diào)光器由最大到最小或由最小到最大調(diào)光時(shí)有可能在調(diào)光器的中間某個(gè)位置LED不工作，這個(gè)LED可控硅調(diào)光器是否有這種現(xiàn)象？

4.9 導(dǎo)通延遲時(shí)間

(1)LED可控硅調(diào)光器的最大導(dǎo)通延遲時(shí)間是多少？

(2)LED可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通延遲在調(diào)光器的什么位置出現(xiàn)？

(3)導(dǎo)通延遲和調(diào)光級(jí)是否有關(guān)？

(4)當(dāng)不同的LED產(chǎn)品接至LED可控硅調(diào)光器時(shí)這個(gè)導(dǎo)通延遲時(shí)間是否變化？調(diào)光時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生調(diào)光“爆米花”效應(yīng)(調(diào)光光輸出閃動(dòng))？

4.10 調(diào)光閃爍

在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有調(diào)光閃爍？在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有頻閃效應(yīng)？

4.11 變色

在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有LED發(fā)光顏色改變？如有顏色變化如何？

4.12 可聞噪聲

LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有可聞噪聲？LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時(shí)可聞噪聲的出現(xiàn)是否和某些因素有關(guān)(例如，LED可控硅調(diào)光器帶的LED燈的數(shù)量和LED可控硅調(diào)光器調(diào)光位置等因素有關(guān))？

5 小結(jié)

由于可控硅調(diào)光易于使用，符合人們的使用習(xí)慣，所以推廣LED可控硅調(diào)光有很好的市場(chǎng)前景。但是，在LED調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合，可控硅調(diào)光在電路的功率因數(shù)、調(diào)光閃爍等調(diào)光性能和造價(jià)等方面還需進(jìn)一步做出努力，以擴(kuò)大可控硅調(diào)光在LED照明調(diào)光的應(yīng)用范圍。