LED灯调光

1、先简单说说LED发光原理

led是英文Light Emitting Diode的简写,中文意思为:发光二极管,由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,N型半导体内的电子与P型半导体内的空穴在发光层剧烈地碰撞复合产生光子,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的不同材料的半导体会产生不同颜色的光色,如红光、绿光、蓝光等等。但是,到目前为止还没有任何一种半导体材料能发出白色的光,我们使用最多还是发蓝光LED。

蓝光LED转变为白光LED,最大的原因在于晶片中多了一层荧光粉。蓝光LED基片安装在反射腔中,覆盖以混有荧光粉树脂薄层,约200-500nm。所产生的蓝光有一部分会直接穿过荧光涂层直接发射出去;剩下的一部分会打在荧光涂层上并与之作用产生黄色光子。蓝色光子与黄色光子共同作用(混合)就产生了白光。


LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到白光。通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。如果蓝光的占比多一点,则产生高色温的白光;相反,如果黄光占比多一点,则产生色温较低的白光。这种通过蓝光得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,因此运用最多。

2、LED调光方式之1:DC调光(或称:功率调光、直接驱动调光)

DC调光是通过调整LED灯的电流大小来实现亮度的控制,或者说是通过调节电路功率来改变亮度(功率 = 电压 x 电流),所以改变电压或电流都能改变屏幕亮度。

首先来看一下LED能采用DC调光的原理, 它是能发光的二极管,是靠电子流向P区,在P区里电子跟空穴碰撞,然后就会以光子的形式发出能量,所以它的发光原理决定LED的亮度是和它的正向电流成正比的。所以大多数LED会给出额定电流,但这并不等于LED只能工作于这些额定电流,例如某厂的1瓦LED和3瓦LED是同一型号,电流从350mA加大到700mA,功率就从1W加大成3W,所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。

所以调节通过LED的电流就可以调节它的发光强弱。

如何调节电流大小呢,直接调节电压吗?我们可以看到它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。因为根据LED的二极管伏安特性,会发现:当正向电压加到死区电压以上的时候,轻微的电压波动,会导致通过发光二极管LED的电流程指数式的波动。LED伏安特性的非线性,很小的电压变化就会引起很大的电流变化,从伏安特性上可以看出,电源电压的10%的变化,就会引起正向电流的几倍的变化。


而且并不是LED电压定了,电流也就定了。实际上,LED的伏安特性并不是固定的,而是随温度而变化的,。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA,而温度升高到85度时,电流就会增加到35-37mA,而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高,这样就会增加光衰,降低寿命。


从LED的伏安特性,我们可得知LED光源的调光也不能够简单用调整LED的输入电流来实现。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,所以应该采用26.4V的恒流源。调光时,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,负载电压就也要变低。

所以LED不能靠单纯调节电压、电流来调光,一般都会采用宽电压恒流调光电源,恒流源的意思就是LED的电流大小是靠电源决定的,宽电压的意思是电源会根据LED伏安特性来自动匹配合适的电源电压。


3、led调光方式之2:PWM调光

PWM调光是通过控制LED灯的开关时间和占空比来达到调光的效果。 上面说到可以选用可降压型(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,可能会超出这种可降压型(宽电压)恒流源的正常工作范围,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。

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(所以传统灯具开闭太慢是没有办法用到这种调光的)。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。

PWM调光调节亮度并不靠改变功率,而是靠屏幕的亮、灭交替。PWM调光点亮时并不是持续发光的,而是在不停地点亮、熄灭屏幕。当亮、灭交替够快时,肉眼就会认为LED一直在亮。


在亮、灭的过程中,熄灭状态持续时间越长,LED给肉眼的观感就是亮度越低。点亮的时间越长,熄灭时间就相应减少,LED就会变亮。大多数是固定频率,改变占空比,调整亮度就是调整占空比。

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。

但是,虽然LED PWM(脉宽调制)调光方式有很多优点,还有以下两个问题:

  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,如果考虑视觉疲劳还应该更高(喜欢关注手机朋友可以注意一下手机OLED屏的PWM调光频率是多少)。

  2、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。


4、LED调光的控制方式

前面我们说了LED调光方式是靠LED电源来调光,LED电源可以理解为LED灯的本身组成的一部分,类似于传统荧光灯的镇流器。就像灯具点亮熄灭需要一个开关控制一样,灯具的调光也需要根据电源收到的指令来调光,这个指令使用的不同,就形成了灯具各种调光的控制方式。下面我们讲讲,市场上常见的六种LED照明设备控制方式:

1. 前沿切相(FPC),可控硅调光

2. 后沿切相(RPC)MOS管调光

3. 1-10V调光

4. DALI(数字可寻址照明接口)

5. DMX512(或DMX)调光

6.无线调光(蓝牙、wifi、zigbee、射频)


参考:

https://zhuanlan.zhihu.com/p/630692167

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