LED的调光原理分析与设计实例

2.1 如何实现PWM调光

具体实现PWM调光的方法就是在LED的负载中串入一个MOS开关管（图8），这串LED的阳极用一个恒流源供电。


图8. 用PWM信号快速通断LED串

然后用一个PWM信号加到MOS管的栅极，以快速地开关这串LED。从而实现调光。也有不少恒流芯片本身就带一个PWM的接口，可以直接接受PWM信号，再输出控制MOS开关管。那么这种PWM调光方法有那些优缺点呢？

2.2脉宽调制调光的优点

1．不会产生任何色谱偏移。因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。

2．可以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．可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM信号。

4． 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。

2.3 脉宽调光要注意的问题

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。

2． 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。但是频率过高也会引起一些问题，因为各种寄生参数的影响，会使脉冲波形（前后沿）产生畸变。这就降低了调光的精确度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上，主要的发声器件是输出端的陶瓷电容，因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成，这类陶瓷都具有压电特性。在 200Hz 的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方法是采用钽电容来代替。不过，高耐压的钽电容很难得到，而且价钱很贵，会增加一些成本。

第二部分 采用交流电源的LED 调光

三．用可控硅对LED 调光

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。采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。其电原理图如图9 所示。虚线部分就是安装在墙上的可控硅调光开关。a-b 之间的电阻就是白炽灯负载。所以负载是和可控硅开关串联的。

控制开关


图9. 可控硅调光的电路图和波形图

改变可变电阻的分压比就可以改变其导通角，从而实现改变其有效值的目的。通常这个电位器带一个开关，接在n 的输入端，用于开关灯。除了可控硅以外，还有晶体管后沿调光技术等等，因为它们的基本问题是相同的，就不在此介绍了。

3.1 可控硅调光的缺点和问题

然而，可控硅调光存在一系列问题。

1． 可控硅破坏了正弦波的波形，从而降低了功率因素值，通常PF 低于0.5，而且导通角越小时功率因素越差（1/4 亮度时只有0.25）。

2． 同样，非正弦的波形加大了谐波系数。

3． 非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号（EMI）

4． 在低负载时很容易不稳定，为此还必须加上一个泄流电阻。而这个泄流电阻至少要消耗1-2瓦的功率。

5． 在普通可控硅调光电路输出到LED的驱动电源时还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。

3.2 可控硅调光的优势

可控硅调光虽然有那么多的缺点和问题，但是，它却有着一定的的优势，那就是它已经和白炽灯卤素灯结成了联盟，占据了很大的调光市场。如果LED想要取代可控硅调光的白炽灯和卤素灯灯具的位置，就也要和可控硅调光兼容。

具体来说，在一些已经安装了可控硅调光的白炽灯或卤素灯的地方，墙上已经安装了可控硅的调光开关和旋钮，墙壁里也已经安装了通向灯具的两根连接线。要更换墙上的可控硅开关和要增加连接线的数目都不是那么容易，最简单的方法就是什么都不变，只要把灯头上的白炽灯拧下，换上带有兼容可控硅调光功能的LED灯泡就可以。这种战略就像LED日光灯一样，最好做成和现在的T10、T8荧光灯尺寸大小完全一样，不需要专业电工，普通老百姓就可以直接更换，那就可以很快普及。因此国外很多生产LED驱动IC的厂商都开发出了可以兼容现有可控硅调光的IC来。

3.3 兼容可控硅调光的LED驱动IC

目前市场上主要有恩智浦的SSL2101/2，国半的LM3445，iWatt的iW3610和OnSemi的NCL3000四种兼容可控硅调光的驱动IC。其特点如下


和一般反激式的IC不同之处在于它们都可以检测出可控硅的导通角来确定LED的电流以进行调光，我们不准备来详细介绍它们的工作原理和性能，因为我们并不认为这是LED调光的方向。

3.4 兼容可控硅调光的问题和缺点

尽管多个跨国大芯片公司都推出了兼容现有可控硅调光的芯片和解决方案。但是这类解决方案是不值得推荐的，主要原因如下：

1． 可控硅技术是具有半个多世纪的陈旧技术，它具有很多如前所述的缺点，是一种早该淘汰的技术。它应该和白炽灯、卤素灯同时退出历史舞台。

2． 很多这类芯片自称具有PFC，可以改善功率因素，实际上，它只改善了作为可控硅负载的功率因素，使它们看上去接近纯阻的白炽灯和卤素灯，而并没有改善包括可控硅在内的整个系统的功率因素。

3． 所有兼容可控硅的LED调光系统的整体效率都十分低下，有些还没有考虑为了稳定工作而需要的泄流电阻的损耗，完全损坏了LED的高能效。

4． 所有的可控硅LED调光系统也都是调节LED的正向电流，存在着前面所述的色谱偏移等缺点。

5． 安装可控硅调光的白炽灯和卤素灯所占的比例不到万分之一，而在墙里安装可控硅开关的比例在可控硅调光的灯具里连万分之一都不到，因为绝大多数安装可控硅调光的都是台灯、床头灯、立灯。更何况市面上有几十种不同规格的可控硅和晶体管调光开关，实际上所开发的IC根本不可能兼容所有的可控硅开关，而只能兼容其中的一小部分。

6． LED是一种全新的创世纪的技术，它有着无可比拟的优越性。完全没有必要为了照顾落后的可控硅而牺牲LED的优点。更不应该去新安装墙上的可控硅开关来实现LED的调光。

四．未来的LED调光系统

那么LED究竟应该采用什么样的调光系统呢？

4.1 PWM调光：

前面已经说过LED调光最好是采用PWM调光，采用PWM调光时，可以在墙上开关里安装一个简单的 PWM发生器，然后利用电位器来控制PWM的工作比从而实现调光。但是如果还要开关灯的亮灭，那么就需要再加一对线。所以无法兼容原来墙里的的可控硅开关的引线。原来的可控硅开关的引线只有2根，就可以又能调光又能开关。这个优点是很难兼容的。不过实际上真正最常用的调光灯具是台灯或立灯，那些调光开关都是安装在电源线上不是墙里，那也就无所谓要利用墙里的两根引线了。也就是说，PWM调光是可以直接应用于调光型台灯的。

4.2 分段式开关调光

台湾有一家公司推出了一种称之为EZ-Dimming的GM6182的四段开关调光不失为一种好方案。它只利用墙上的普通电灯开关就能实现4段调光，第一次开为全亮，第二次开为60%亮度，第三次开为40%亮度，第四次开为20%亮度。这种系统的优点是可以利用普通的墙上开关实现调光。而且其功率因素高达 0.92以上。没有产生干扰信号之虑。缺点是无法连续调光。还有操作麻烦一些。

4.3 遥控式调光

采用红外遥控器对LED实现调光。这当然是最理想的解决方案。可以实现开关灯，和用PWM连续调光。缺点是成本高，没有统一规格，只能用于高档住宅。

其实我们应当回过来想一想我们要调光的主要目的应当是什么。前面所有提到的调光目的都是为了满足居家的人们在不同场合下需要不同的光强。例如看电视的时候可能要暗一些，看书的时候可能要亮一些。这些大多是在住宅里。很少有办公室、商场、工厂、学校安装调光灯的。而且这些地方绝大多数安装的是荧光灯、节能灯，也不可能进行调光或者很难实现连续调光。

五．划时代的为节能而调光

自从人类意识到一定要千方百计节能减排，才能解决大气变暖的迫切问题后，如何减少照明用电就作为一个重要的问题提到日程上来。因为照明用电占总能耗的 20%。幸好出现了高效节能的LED，LED本身比白炽灯节能5倍以上，比荧光灯、节能灯也要节能一倍左右，还不像荧光灯、节能灯那样含汞。如果还能够利用调光来节能，那么也是非常重要的节能手段。但过去所有光源都很不容易实现调光，而容易调光正是LED的一个很大的优点。因为在很多场合其实不需要开灯或者至少不需要那么亮，可是灯却开得很亮，例如半夜到黎明时段的路灯；地铁车厢从地下开到郊区地面时车厢里的照明灯；更常见的是在阳光明媚时靠近窗口的办公室、学校、工厂等的荧光灯都还开在那里。这些地方每天不知道要浪费多少电能！过去因为高压钠灯、荧光灯、吸顶灯、节能灯根本无法调光，也只能算了。现在改用LED以后，可以自如调光了，这些电能完全可以节省下来！