LED调光相关的基础知识

任何一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能。

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。

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：

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。
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。
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。
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：

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。
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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