解析基于直流電源和交流電源的LED調光技術

2.3 脈寬調光要注意的問題

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，它的工作頻率應當高于100Hz，最好為200Hz。

2. 消除調光引起的嘯聲： 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)產生畸變。這就降低了調光的精確度。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生機械振動而發(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調光

三.用可控硅對LED調光

普通的白熾燈和鹵素燈通常采用可控硅來調光。因為白熾燈和鹵素燈是一個純阻器件，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，就可以調光。采用可控硅就是對交流電的正弦波加以切割而達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光開關。a-b之間的電阻就是白熾燈負載。所以負載是和可控硅開關串聯(lián)的。

控制開關

圖9. 可控硅調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，接在n的輸入端，用于開關燈。除了可控硅以外，還有晶體管后沿調光技術等等，因為它們的基本問題是相同的，就不在此介紹了。

3.1 可控硅調光的缺點和問題

然而，可控硅調光存在一系列問題。

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生嚴重的干擾信號(EMI)

4. 在低負載時很容易不穩(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. 在普通可控硅調光電路輸出到LED的驅動電源時還會產生意想不到的問題，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的驅動電源就會產生音頻噪聲和閃爍。

3.2 可控硅調光的優(yōu)勢

可控硅調光雖然有那么多的缺點和問題，但是，它卻有著一定的的優(yōu)勢，那就是它已經和白熾燈鹵素燈結成了聯(lián)盟，占據(jù)了很大的調光市場。如果LED想要取代可控硅調光的白熾燈和鹵素燈燈具的位置，就也要和可控硅調光兼容。

具體來說，在一些已經安裝了可控硅調光的白熾燈或鹵素燈的地方，墻上已經安裝了可控硅的調光開關和旋鈕，墻壁里也已經安裝了通向燈具的兩根連接線。要更換墻上的可控硅開關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LED驅動IC的廠商都開發(fā)出了可以兼容現(xiàn)有可控硅調光的IC來。

3.3 兼容可控硅調光的LED驅動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光的驅動IC。其特點如下：

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通角來確定LED的電流以進行調光，我們不準備來詳細介紹它們的工作原理和性能，因為我們并不認為這是LED調光的方向。

3.4 兼容可控硅調光的問題和缺點

盡管多個跨國大芯片公司都推出了兼容現(xiàn)有可控硅調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. 可控硅技術是具有半個多世紀的陳舊技術，它具有很多如前所述的缺點，是一種早該淘汰的技術。它應該和白熾燈、鹵素燈同時退出歷史舞臺。

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載的功率因素，使它們看上去接近純阻的白熾燈和鹵素燈，而并沒有改善包括可控硅在內的整個系統(tǒng)的功率因素。

3. 所有兼容可控硅的LED調光系統(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調光系統(tǒng)也都是調節(jié)LED的正向電流，存在著前面所述的色譜偏移等缺點。

5. 安裝可控硅調光的白熾燈和鹵素燈所占的比例不到萬分之一，而在墻里安裝可控硅開關的比例在可控硅調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光開關，實際上所開發(fā)的IC根本不可能兼容所有的可控硅開關，而只能兼容其中的一小部分。

6. LED是一種全新的創(chuàng)世紀的技術，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。更不應該去新安裝墻上的可控硅開關來實現(xiàn)LED的調光。

四.未來的LED調光系統(tǒng)

那么LED究竟應該采用什么樣的調光系統(tǒng)呢?

4.1 PWM調光：

前面已經說過LED調光最好是采用PWM調光，采用PWM調光時，可以在墻上開關里安裝一個簡單的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)調光。但是如果還要開關燈的亮滅，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的引線。原來的可控硅開關的引線只有2根，就可以又能調光又能開關。這個優(yōu)點是很難兼容的。不過實際上真正最常用的調光燈具是臺燈或立燈，那些調光開關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調光是可以直接應用于調光型臺燈的。

4.2 分段式開關調光

臺灣有一家公司推出了一種稱之為EZ-Dimming的GM6182的四段開關調光不失為一種好方案。它只利用墻上的普通電燈開關就能實現(xiàn)4段調光，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)點是可以利用普通的墻上開關實現(xiàn)調光。而且其功率因素高達0.92以上。沒有產生干擾信號之慮。缺點是無法連續(xù)調光。還有操作麻煩一些。

4.3 遙控式調光

采用紅外遙控器對LED實現(xiàn)調光。這當然是最理想的解決方案?？梢詫崿F(xiàn)開關燈，和用PWM連續(xù)調光。缺點是成本高，沒有統(tǒng)一規(guī)格，只能用于高檔住宅。

其實我們應當回過來想一想我們要調光的主要目的應當是什么。前面所有提到的調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。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、學校安裝調光燈的。而且這些地方絕大多數(shù)安裝的是熒光燈、節(jié)能燈，也不可能進行調光或者很難實現(xiàn)連續(xù)調光。

五.劃時代的為節(jié)能而調光

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)調光，而容易調光正是LED的一個很大的優(yōu)點。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)能燈根本無法調光，也只能算了?，F(xiàn)在改用LED以后，可以自如調光了，這些電能完全可以節(jié)省下來!

所以對于燈具調光來說，家庭壁上調光不是主要的應用場合，市場也很小。反而是路燈、辦公室、商場、學校、工廠的按需調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調光而是自動調光、智能調光!

5.1路燈的調光

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點以后關燈或者開一半亮度。但是最合理的做法是根據(jù)交通流量來控制路燈的亮度，甚至是完全自適應地控制亮度。圖10就是根據(jù)當?shù)亟煌髁康慕y(tǒng)計值來調節(jié)路燈亮度的一個例子。

圖10. 根據(jù)交通流量的統(tǒng)計值來智能地調節(jié)路燈的亮度

而為了實現(xiàn)這種智能調光，實際上也是十分簡單的。只要把這個地區(qū)的交通流量統(tǒng)計值的曲線輸入到一個單片機，根據(jù)這個曲線給出PWM的調光信號到恒流驅動源就可以實現(xiàn)。

5.2 光敏自動調光LED燈

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

圖11. 光敏自動調光LED燈具的方框圖和實物圖

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

結束語

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，我國2008年熒光燈的生產量超過40億支，其中出口就高達38.6億支。而據(jù)中國照明協(xié)會統(tǒng)計，國內每年消耗熒光燈數(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，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。但國產熒光燈實際功率較低，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。再采用自動調光可以至少再節(jié)能10%以上。那就是15億度。按每度電0.7元計算，就是節(jié)約10.5億元。這是十分可觀的數(shù)字!這個數(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)能調光在內。所以大力發(fā)展可節(jié)能的自適應調光才是LED調光的重點方向!