解析基于直流電源和交流電源的LED調(diào)光技術(shù)

2.3 脈寬調(diào)光要注意的問題

1. 脈沖頻率的選擇 因?yàn)長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。但是頻率過高也會(huì)引起一些問題，因?yàn)楦鞣N寄生參數(shù)的影響，會(huì)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(shí)際上，主要的發(fā)聲器件是輸出端的陶瓷電容，因?yàn)樘沾呻娙萃ǔ６际怯筛呓殡姵?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(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)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(jià)錢很貴，會(huì)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(duì)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?yàn)榘谉霟艉望u素?zé)羰且粋€(gè)純阻器件，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。采用可控硅就是對(duì)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(shí)現(xiàn)改變其有效值的目的。通常這個(gè)電位器帶一個(gè)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?yàn)樗鼈兊幕締栴}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(shí)功率因素越差(1/4亮度時(shí)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(huì)在線路上產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾信號(hào)(EMI)

4. 在低負(fù)載時(shí)很容易不穩(wěn)定，為此還必須加上一個(gè)泄流電阻。而這個(gè)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(dòng)電源時(shí)還會(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。

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?，墻上已?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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?yàn)槲覀儾⒉徽J(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(gè)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(gè)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(shí)退出歷史舞臺(tái)。

2. 很多這類芯片自稱具有PFC，可以改善功率因素，實(shí)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(gè)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?yàn)榻^大多數(shù)安裝可控硅調(diào)光的都是臺(tái)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(shí)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(shí)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(shí)，可以在墻上開關(guān)里安裝一個(gè)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(shí)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(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是很難兼容的。不過實(shí)際上真正最常用的調(diào)光燈具是臺(tái)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(tái)燈的。

4.2 分段式開關(guān)調(diào)光

臺(tái)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(shí)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(shí)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(hào)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(duì)LED實(shí)現(xiàn)調(diào)光。這當(dāng)然是最理想的解決方案。可以實(shí)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(shí)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(shí)候可能要暗一些，看書的時(shí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光。

五.劃時(shí)代的為節(jié)能而調(diào)光

自從人類意識(shí)到一定要千方百計(jì)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(gè)重要的問題提到日程上來。因?yàn)檎彰饔秒娬伎偰芎牡?0%。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(shí)現(xiàn)調(diào)光，而容易調(diào)光正是LED的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樵诤芏鄨龊掀鋵?shí)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(shí)段的路燈;地鐵車廂從地下開到郊區(qū)地面時(shí)車廂里的照明燈;更常見的是在陽光明媚時(shí)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?yàn)楦邏衡c燈、熒光燈、吸頂燈、節(jié)能燈根本無法調(diào)光，也只能算了?，F(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!

所以對(duì)于燈具調(diào)光來說，家庭壁上調(diào)光不是主要的應(yīng)用場合，市場也很小。反而是路燈、辦公室、商場、學(xué)校、工廠的按需調(diào)光才是更重要的場合，不但市場巨大，而且節(jié)能可觀。這些場合需要的不是手動(dòng)調(diào)光而是自動(dòng)調(diào)光、智能調(diào)光!

5.1路燈的調(diào)光

一般來說，路燈到半夜以后就沒有什么用處了，所以通常的做法是12點(diǎn)以后關(guān)燈或者開一半亮度。但是最合理的做法是根據(jù)交通流量來控制路燈的亮度，甚至是完全自適應(yīng)地控制亮度。圖10就是根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌髁康慕y(tǒng)計(jì)值來調(diào)節(jié)路燈亮度的一個(gè)例子。

圖10. 根據(jù)交通流量的統(tǒng)計(jì)值來智能地調(diào)節(jié)路燈的亮度

而為了實(shí)現(xiàn)這種智能調(diào)光，實(shí)際上也是十分簡單的。只要把這個(gè)地區(qū)的交通流量統(tǒng)計(jì)值的曲線輸入到一個(gè)單片機(jī)，根據(jù)這個(gè)曲線給出PWM的調(diào)光信號(hào)到恒流驅(qū)動(dòng)源就可以實(shí)現(xiàn)。

5.2 光敏自動(dòng)調(diào)光LED燈

為了減小在強(qiáng)日光下不必要的照明，可以采用光敏自動(dòng)調(diào)光LED日光燈(或任何其他LED燈具)。它的方框圖如圖11所示。

圖11. 光敏自動(dòng)調(diào)光LED燈具的方框圖和實(shí)物圖

光敏元件的作用是感受周圍的日光，如果日光越強(qiáng)那么就輸出一個(gè)PWM信號(hào)到所有靠近日光的LED燈具(例如LED日光燈)，把它們的亮度調(diào)暗。一個(gè)調(diào)光信號(hào)發(fā)生器可以調(diào)節(jié)很多LED燈具，只要這些燈具的恒流驅(qū)動(dòng)源帶有PWM調(diào)光控制接口。這種調(diào)光系統(tǒng)本身的效率高達(dá)92%以上。而且不存在任何和墻上可控硅調(diào)光線路的兼容性問題。這種全自動(dòng)的自適應(yīng)節(jié)能調(diào)光是任何熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等氣體放電管根本無法實(shí)現(xiàn)的，而卻是LED燈具最擅長的。

結(jié)束語

目前全國安裝的日光燈和節(jié)能燈的數(shù)量之大是十分驚人的，據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，我國2008年熒光燈的生產(chǎn)量超過40億支，其中出口就高達(dá)38.6億支。而據(jù)中國照明協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)每年消耗熒光燈數(shù)量大約為4億支。假定中國熒光燈的實(shí)際使用量為10億支(大多數(shù)安裝在辦公室、商場、工廠)。假定每支每天平均開燈4小時(shí)，每支平均功率25W(1.2米T8熒光燈額定功率為36W，功耗為40W以上。但國產(chǎn)熒光燈實(shí)際功率較低，故假定為25W)，每天耗電0.1度，每年耗電36.5度。除去節(jié)假日為30度。10億支就是300億度。換成LED日光燈以后至少可能節(jié)能一半，就是150億度。再采用自動(dòng)調(diào)光可以至少再節(jié)能10%以上。那就是15億度。按每度電0.7元計(jì)算，就是節(jié)約10.5億元。這是十分可觀的數(shù)字!這個(gè)數(shù)字還沒有包括即將被LED替換的節(jié)能燈和白熾燈的節(jié)能調(diào)光在內(nèi)。所以大力發(fā)展可節(jié)能的自適應(yīng)調(diào)光才是LED調(diào)光的重點(diǎn)方向!