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LED 光源的调光技术解析及分析

d时间:2018-03-02   点击量:962

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。

LED伏安特性曲线

图一 LED伏安特性

   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。

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