LED調(diào)光的實現(xiàn)與相關(guān)問題探討

1 LED市場與技術(shù)進展

由于白熾燈的發(fā)光效率低，所以世界各國政府紛紛制定了如圖1所示淘汰白熾燈的時刻表，而LED的發(fā)光效率高和工作壽命長的一系列優(yōu)點使LED照明得到了廣泛的應(yīng)用，LED的性能和發(fā)光效率不斷提升，LED有關(guān)技術(shù)指標進展預(yù)測如表1所示。

圖1 世界各國淘汰白熾燈的時刻表

2 照明調(diào)光

調(diào)光具有節(jié)能的優(yōu)點，照明調(diào)光在應(yīng)用中有很好的市場，相對白熾燈/氣體放電燈，LED的調(diào)光節(jié)能效果更明顯。白熾燈/氣體放電燈調(diào)光工作時燈的工作效率有明顯下降，而LED調(diào)光的發(fā)光效率會提高，這主要是由于在低發(fā)光亮度時通過LED的正向電流較小，在有關(guān)回路電阻成份上的損耗降低的原因。照明調(diào)光不僅節(jié)能，照明調(diào)光還可以改變空間視覺效果，從而影響人的行為模式。

但是，LED調(diào)光電路的設(shè)計對LED調(diào)光的性能發(fā)揮有很重要的影響。高性能調(diào)光器受到用戶的歡迎，下面討論LED可控硅調(diào)光的有關(guān)問題。

2.1 LED調(diào)光

LED由于具體很好的演色性、發(fā)光效率、體積小、低工作電壓和工作壽命長的一系列優(yōu)點得到了很好的應(yīng)用，然而，調(diào)光控制標準化對LED調(diào)光應(yīng)用的推廣很重要。由于白熾燈的可控硅調(diào)光得到了很好的應(yīng)用，LED調(diào)光應(yīng)和可控硅調(diào)光能很好地配合使用，以利用現(xiàn)有的白熾燈可控硅調(diào)光器。

LED用于替代通用白熾燈照明，LED調(diào)光和LED的發(fā)光顏色、LED的光輸出、LED的發(fā)光效率(調(diào)光曲線)等因素有關(guān)；有關(guān)調(diào)光控制方法(例如0-10V，DALI等有關(guān)控制協(xié)議)、散熱管理、驅(qū)動方案、拓撲架構(gòu)和已有的基礎(chǔ)設(shè)施等因素對LED調(diào)光的工作狀態(tài)和調(diào)光控制性能有很大的影響。

2.2 LED調(diào)光性能

由于人們用慣了白熾燈可控硅調(diào)光器，所以LED調(diào)光器應(yīng)能兼容可控硅調(diào)光器，并應(yīng)考慮以下技術(shù)指標：

(1)調(diào)光范圍

調(diào)光范圍常用最大亮度值的百分比表示，例如X%—XX%。在實用中，隨著燈發(fā)光亮度的降低人眼瞳孔會放大，這樣人眼接收的光線并不很快隨燈發(fā)光亮度的降低而降低，如表示為最大發(fā)光亮度級的百分數(shù)，則人眼接收的光是測得光百分數(shù)的均方根值。例如，測得調(diào)光電平為最大發(fā)光值的10%，則人眼接收的光為的最大發(fā)光值，即所謂的心理物理學(xué)定律。

(2)在整個調(diào)光范圍應(yīng)平滑調(diào)光變化。

(3)燈在最低調(diào)光電平時啟動燈發(fā)光應(yīng)很快達到預(yù)定的發(fā)光值。

(4)達到預(yù)定的調(diào)光電平后LED燈發(fā)光應(yīng)穩(wěn)定，不應(yīng)有發(fā)光閃爍現(xiàn)象。

(5)在整個調(diào)光范圍內(nèi)，LED燈、LED驅(qū)動電源和調(diào)光控制器不應(yīng)有可聞噪聲。

(6)運動控制/有無人檢測/光電檢測等部件能控制LED燈的工作。

2.3 工作可靠性

調(diào)光對大部分光源而言，可以延長其使用壽命，因為在低發(fā)光亮度下燈的功耗和發(fā)熱降低了，有利于提高光源的使用壽命。

溫度對電子元器件的壽命有重要的影響，低溫對延長電子元器件的壽命有幫助，LED燈為燈和電子元器件的一體的燈，所以整體燈的壽命受壽命最短的電子元器件的壽命制約，調(diào)光有利于降低LED燈的溫度，有利于LED燈的光通量維持率和延長LED燈的使用壽命。

3 相控調(diào)光

相控調(diào)光最早用于白熾燈調(diào)光，相控調(diào)光的主要優(yōu)點是使用、安裝方便。LED相控調(diào)光的頻率應(yīng)不低于100Hz，以避免人眼感到發(fā)光閃爍，相控導(dǎo)通角越大則LED的發(fā)光亮度越大，相控半導(dǎo)體器件可用可控硅、場效應(yīng)晶體管或有關(guān)半導(dǎo)體器件。

由于現(xiàn)有的調(diào)光器被設(shè)計用于白熾燈(近似電阻負載，功率大多在20W和50W之間)，因此需要一些額外的電路才能允許它們用于LED照明系統(tǒng)。目前，市場上還沒有白熾燈調(diào)光器標準，因此目前市場上有大量不同性能和參數(shù)值的調(diào)光器。

3.1 前沿相控調(diào)光

前沿相控調(diào)光(前相調(diào)光)由于電路實現(xiàn)簡單所以得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)器件常用可控硅，通過控制可控硅的導(dǎo)通角來控制輸出的交流電有效值，從而達到調(diào)光控制，典型可控硅前沿相控調(diào)光電路原理圖如圖2所示。在圖2中，可調(diào)電阻VR4和電容C23構(gòu)成移相電路。當C23兩端的電壓達到或超過DIAC(DB3)的擊穿電壓時，C23電荷通過DB3部分注入雙向可控硅T2，雙向可控硅T2被觸發(fā)導(dǎo)通。

雙向可控硅T2的最低門觸發(fā)電流(IGT)使雙向晶閘管導(dǎo)通。它還要求有一個最低的維持電流來維持雙向可控硅的導(dǎo)通，當電流低于維持電流時，雙向可控硅T2被關(guān)閉。

可控硅前沿相控調(diào)光調(diào)光波形圖如圖3所示，前沿相控調(diào)光常用于白熾燈和鹵鎢燈調(diào)光的應(yīng)用場合，由于在低調(diào)光亮度時通過可控硅的電流減小，如調(diào)光亮度很低，通過可控硅的電流低于可控硅的維持導(dǎo)通電流時就不能再調(diào)光，否則可控硅關(guān)斷，這對低調(diào)光亮度LED調(diào)光可能是個問題。

相控后沿和前沿調(diào)光器特點如表2所示

4 評價可控硅相控LED可調(diào)光系統(tǒng)時需注意的有關(guān)問題

常見評價可控硅相控LED可調(diào)光系統(tǒng)時需注意的有關(guān)問題如下。

4.1 100%光輸出

當調(diào)光器調(diào)至100%位置時和不可調(diào)光輸出時光輸出衰減了多少？

4.2 最大調(diào)光級

可調(diào)光LED照明系統(tǒng)的最大調(diào)光級是多少？

4.3 調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍和光輸出特性

(1)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍是多少？相應(yīng)LED的調(diào)光范圍是多少？

(2)在關(guān)斷調(diào)光器前，在低光輸出調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)光光輸出不變的物理調(diào)節(jié)范圍是多少？

(3)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)位置、光輸出和加到LED燈負載上的電壓有效值(相位角、導(dǎo)通時間、占空比等)是否有關(guān)系？

4.4 調(diào)光器可調(diào)光的LED數(shù)量范圍/最低負載

(1)調(diào)光器可正常調(diào)光的LED負載數(shù)量范圍是多少？

(2)白熾燈可控硅調(diào)光器可帶的最小負載和可控硅的維持電流有關(guān)，在最低LED調(diào)光亮度時LED的最小工作電流能否滿足可控硅的維持電流要求？

4.5 浪涌電流

對白熾燈可控硅調(diào)光而言，它的浪涌輸入電流和白熾燈燈絲的冷電阻有關(guān)，對LED調(diào)光負載時這個浪涌輸入電流值要比白熾燈可控硅調(diào)光要小，以確保可控硅調(diào)光電路可靠工作。

4.6 重復(fù)峰值電壓

可控硅的耐壓值有限，使用時應(yīng)確保LED應(yīng)用時的重復(fù)峰值電壓低于白熾燈可控硅調(diào)光器的重復(fù)峰值電壓，以確保可控硅調(diào)光電路可靠工作。

4.7 最小調(diào)光范圍

在可控硅調(diào)光器的最低調(diào)光位置LED是否還導(dǎo)通。

4.8 LED不發(fā)光的調(diào)光位置

在實用中，在可控硅調(diào)光器由最大到最小或由最小到最大調(diào)光時有可能在調(diào)光器的中間某個位置LED不工作，這個LED可控硅調(diào)光器是否有這種現(xiàn)象？

4.9 導(dǎo)通延遲時間

(1)LED可控硅調(diào)光器的最大導(dǎo)通延遲時間是多少？

(2)LED可控硅調(diào)光器的導(dǎo)通延遲在調(diào)光器的什么位置出現(xiàn)？

(3)導(dǎo)通延遲和調(diào)光級是否有關(guān)？

(4)當不同的LED產(chǎn)品接至LED可控硅調(diào)光器時這個導(dǎo)通延遲時間是否變化？調(diào)光時是否會產(chǎn)生調(diào)光“爆米花”效應(yīng)(調(diào)光光輸出閃動)？

4.10 調(diào)光閃爍

在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時是否有調(diào)光閃爍？在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時是否有頻閃效應(yīng)？

4.11 變色

在LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時是否有LED發(fā)光顏色改變？如有顏色變化如何？

4.12 可聞噪聲

LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時是否有可聞噪聲？LED可控硅調(diào)光器調(diào)光時可聞噪聲的出現(xiàn)是否和某些因素有關(guān)(例如，LED可控硅調(diào)光器帶的LED燈的數(shù)量和LED可控硅調(diào)光器調(diào)光位置等因素有關(guān))？

5 小結(jié)

由于可控硅調(diào)光易于使用，符合人們的使用習(xí)慣，所以推廣LED可控硅調(diào)光有很好的市場前景。但是，在LED調(diào)光的應(yīng)用場合，可控硅調(diào)光在電路的功率因數(shù)、調(diào)光閃爍等調(diào)光性能和造價等方面還需進一步做出努力，以擴大可控硅調(diào)光在LED照明調(diào)光的應(yīng)用范圍。