LED調(diào)光基礎(chǔ)知識(shí)

標(biāo)簽：LED 照明 光源

LED光源的調(diào)光應(yīng)采用那種技術(shù)?我們?nèi)绾握莆漳?要解答以上問題，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LED P-N結(jié)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包括正向特性與反向特性。通常，反向特性曲線變化較為陡峭，當(dāng)電壓超過某個(gè)閾值時(shí)，電流會(huì)出現(xiàn)指數(shù)式上升，從而擊穿LED P-N結(jié)。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(yīng)變化，確切地說，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(diào)低的時(shí)候，LED的電壓也就跟著降低，這就會(huì)改變電源電壓和負(fù)載電壓之間的關(guān)系。

圖1、LED伏安特性圖

因此從LED的伏安特性，我們可得知LED光源的調(diào)光不能夠簡(jiǎn)單用降低LED的輸入電壓或輸入電流來實(shí)現(xiàn)，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)單得通過改變其導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)改變其有效值(有效調(diào)光)的目的。

為了讓大家更容易理解以上的觀點(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。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(fù)載電壓比輸入電壓高，所以應(yīng)該采用>24V的恒流源。但是，為了要調(diào)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(fù)載電壓就變成低于輸入電壓，這樣>24V的恒流源就根本無法工作，最后LED就會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)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恒流源來進(jìn)行調(diào)光，但是這種可降壓型(寬電壓)恒流源如果調(diào)到一個(gè)低的正向電壓，LED的負(fù)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)使它無法工作而產(chǎn)生閃爍。另外可降壓型(寬電壓)恒流源長(zhǎng)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法工作，因?yàn)榭山祲盒?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?yàn)椴涣私馄渲械膯栴}，還總要去從調(diào)光的電路里去找問題，那是徒勞無益的。

普通的白熾燈和鹵素?zé)敉ǔ２捎每煽毓鑱碚{(diào)光。因?yàn)榘谉霟艉望u素?zé)羰且粋€(gè)純電阻器件，它不要求輸入電壓一定是正弦波，因?yàn)樗碾娏鞑ㄐ斡肋h(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。

然而可控硅調(diào)光對(duì)LED光源的調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生意想不到的問題，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(duì)于白熾燈是無所謂的，因?yàn)榘谉霟舻臒釕T性使得人眼根本看不出這種振蕩，但是對(duì)于LED的驅(qū)動(dòng)電源就會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲和閃爍。另外可控硅調(diào)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(diào)光大大降低了LED的系統(tǒng)效率。而且可控硅調(diào)光的波形加大了諧波系數(shù)，非正弦的波形會(huì)在線路上產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾信號(hào)(EMI)污染電網(wǎng)，嚴(yán)重的會(huì)使電網(wǎng)癱瘓。

讀到此處，你可能會(huì)問：“降低電壓或電流及可控硅調(diào)光方式都不適合LED光源調(diào)光，那么什么方式才是最合適的呢?”。

是模擬(1-10V)調(diào)光方式嗎?不是。模擬調(diào)光面臨著一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這就是輸出電流精度。幾乎每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)都要用到某種串聯(lián)電阻來辨別電流，而模擬(1-10V)調(diào)光驅(qū)動(dòng)中的容差、偏移和延遲導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)固定的誤差, 這樣就會(huì)反過來降低輸出電流的精度，最終輸出電流無法指定、控制或保證。因此保證LED光源的調(diào)光效果，其中重要的一點(diǎn)是在一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中降低輸出電流誤差，提高電流精確度。

PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式可以很好的解決以上問題，因?yàn)長(zhǎng)ED是一個(gè)二極管，它可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，它可允許的開關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上，是任何發(fā)光器件所無法比擬的。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，這種方法稱為脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光法。這種調(diào)光方式就像一個(gè)以高達(dá)微秒以上開關(guān)的水閘，由于該水閘開關(guān)頻率很快，快到我們無法用肉眼識(shí)別其開關(guān)的狀態(tài)，其結(jié)果是我們只能夠通下游水量的多少，才能識(shí)別其開關(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(dá)微秒以上開關(guān)動(dòng)作不會(huì)影響水力發(fā)電的工作，因?yàn)樗查g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，以此類推PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式不改變輸入LED PN結(jié)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(diào)制)調(diào)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?yàn)長(zhǎng)ED始終工作在滿幅度電流和0之間。

2、有極高的調(diào)光精確度，因?yàn)槊}沖波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易實(shí)現(xiàn)萬分之一的精度。

3、即使在很大范圍內(nèi)調(diào)光，也不會(huì)發(fā)生閃爍現(xiàn)象。因?yàn)椴粫?huì)改變恒流源的工作條件(升壓比或降壓比)，更不可能發(fā)生過熱等問題。

4、可以和數(shù)字(DALI/DSI/DMX 512)控制技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行控制，因?yàn)閿?shù)字控制信號(hào)很容易變換成為一個(gè)PWM信號(hào)。

雖然LED PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式有很多優(yōu)點(diǎn)，但是需要注意以下兩個(gè)問題：

1、脈沖頻率的選擇，因?yàn)長(zhǎng)ED是處于快速開關(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(shí)候就有可能會(huì)聽到絲絲的聲音。解決這個(gè)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。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(diào)光電源，驅(qū)動(dòng)器及數(shù)字控制系統(tǒng)的廠家已經(jīng)很好得解決了上述問題，如銳高(Tridonic)公司的LED可調(diào)光電源及驅(qū)動(dòng)器都采用PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光技術(shù)(圖2)，其控制信號(hào)均采用DALI(數(shù)字可尋址的照明接口)技術(shù),并結(jié)合數(shù)字照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的LED控制產(chǎn)品線。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(xiàn)在同一LED光源內(nèi)顏色及色溫的變化，同時(shí)可以通過軟件選定固定的色溫(例如：2700K-6200K)或顏色(例如：RGB)并進(jìn)行調(diào)光控制，目前LED應(yīng)用數(shù)字調(diào)光技術(shù)的最高境界。

圖2、LED可調(diào)光電源

圖3、LED光引擎產(chǎn)品

好的LED光源調(diào)光技術(shù)需要有好的LED控制信號(hào)技術(shù)來匹配及配合，才能成為一個(gè)行之有效，穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)。之前提到了LED PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字控制信號(hào)很容易變換成為一個(gè)PWM信號(hào)。而在照明的數(shù)字控制信號(hào)中，DALI(數(shù)字可尋址的照明接口)有著其他照明數(shù)字控制信號(hào)無可比擬的優(yōu)越性，且也是目前數(shù)字控制信號(hào)應(yīng)用在照明行業(yè)的主流，開放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式與DALI(數(shù)字可尋址的照明接口) 的匹配可謂是“好馬配好鞍”，各自發(fā)揮著自身的優(yōu)勢(shì)，PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光技術(shù)解決好LED光源的最終調(diào)光難題，DALI(數(shù)字可尋址的照明接口)技術(shù)解決了每個(gè)LED燈具的控制，反饋及組網(wǎng)。

DALI(數(shù)字可尋址的照明接口)技術(shù)的最大特點(diǎn)是單個(gè)燈具具有獨(dú)立地址，通過DALI系統(tǒng)軟件可對(duì)單燈或任意的燈組進(jìn)行精確的調(diào)光及開關(guān)控制，不論這些燈具在強(qiáng)電上是同一個(gè)回路或不同回路。即照明控制上與強(qiáng)電回路無關(guān)，DALI系統(tǒng)軟件可對(duì)同一強(qiáng)電回路或不同回路上的單或多個(gè)燈具進(jìn)行獨(dú)立尋址，從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制和任意分組。這一理念為照明控制帶來極大的靈活性，用戶可根據(jù)需要隨心所欲地設(shè)計(jì)滿足其需求的照明方案，甚至在安裝結(jié)束后的運(yùn)行過程中仍可任意修改控制要求，而無須對(duì)線路做任何改動(dòng)。

圖4、LED數(shù)字(DALI)調(diào)光接口

銳高(Tridonic)公司在1991年推出了世界第一款數(shù)字調(diào)光技術(shù)DSI接口(Digital Serial interface)技術(shù)，而DALI是在 DSI接口(Digital Serial interface)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的目前最新型的可調(diào)光數(shù)字技術(shù)，2000年銳高(Tridonic)公司匯同其他的制造商制訂了DALI的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并納入IEC60929，保證不同的制造廠生產(chǎn)的DALI設(shè)備能全部兼容，并于2001年成立世界DALI協(xié)會(huì)。通過DALI技術(shù)的推出及應(yīng)用，目前DALI已成為歐洲數(shù)字調(diào)光的主流標(biāo)準(zhǔn)。 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·照明設(shè)計(jì)與工程

以下是PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)光方式結(jié)合DALI(數(shù)字可尋址的照明接口)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行：

設(shè)計(jì)中只要通過數(shù)字信號(hào)接口相互連接，并聯(lián)到2芯控制線上。所有分組和場(chǎng)景均可在安裝調(diào)試時(shí)通過計(jì)算機(jī)軟件編程，不僅節(jié)約了布線成本，對(duì)于設(shè)計(jì)修改、重新布局和分隔也只需更改軟件設(shè)置而不需重新布線，非常簡(jiǎn)單易行。

2、安裝簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)：

DALI控制線對(duì)線材無特殊要求，安裝時(shí)也無極性要求，只要求主電源線與控制線隔離開，控制線無需屏蔽，要注意的是當(dāng)控制線上電流在250mA，線長(zhǎng)300米時(shí)壓降不超過2V?？刂凭€和電源線可并行，無需另外埋線。設(shè)計(jì)緊湊的控制組件無需專門的控制柜，因此安裝簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)。

3、操作簡(jiǎn)單方便：

DAL I 控制接口的PWM LED驅(qū)動(dòng)器可自動(dòng)處理燈絲預(yù)熱， 點(diǎn)燃，調(diào)光、開關(guān)，故障檢測(cè)等功能，用戶界面是十分友好的，用戶無需對(duì)此理解很深就能操作控制，如發(fā)送一個(gè)改變現(xiàn)行場(chǎng)景的命令，各個(gè)相關(guān)的LED驅(qū)動(dòng)器根據(jù)現(xiàn)行亮度與場(chǎng)景要求亮度之差，各自計(jì)算調(diào)光速率以達(dá)到所有LED光源都同步調(diào)光到要求的場(chǎng)景亮度。

4、控制精確可靠：

DALI為數(shù)字信號(hào)，不同于模擬信號(hào)，1010的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)控制，不會(huì)因長(zhǎng)距離壓降而使得控制信號(hào)失真，因此即使DALI數(shù)字信號(hào)控制線與強(qiáng)電線同走一條線管也不會(huì)受干擾。DALI信號(hào)是雙向傳輸，不但可前向傳輸控制命令，也會(huì)將LED驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)、故障信息、開關(guān)，實(shí)際亮度值的信息反饋回系統(tǒng)。

5、應(yīng)用范圍廣泛：

如今，DALI接口已不僅僅限用于熒光燈鎮(zhèn)流器調(diào)光，各種鹵鎢燈電子變壓器，氣體放電燈電子鎮(zhèn)流器，LED也采用了DALI接口調(diào)光;控制設(shè)備還包括：無線電接收器、繼電器開關(guān)輸入接口。各種按鍵控制面板、包括LED顯示面板都已具有DALI接口，這將使DALI的應(yīng)用越來越廣，控制器從最小的一間辦公室擴(kuò)大到多間房間的辦公大樓，從單個(gè)商店擴(kuò)大到星級(jí)酒店。

總結(jié)

雖然現(xiàn)階段的LED調(diào)光應(yīng)用比較混亂，并且還有著一些問題和障礙，但無可否認(rèn)LED調(diào)光的應(yīng)用前景是光明的。只要我們保持著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，科學(xué)的方式及負(fù)責(zé)任的心態(tài)發(fā)展LED調(diào)光技術(shù),去推廣LED調(diào)光技術(shù),去用好LED調(diào)光技術(shù),那么LED調(diào)光產(chǎn)品帶給我們的好處，帶給照明行業(yè)的好處，帶給人類的好處就在不遠(yuǎn)的將來。