LED亮度調(diào)節(jié)原理圖文解析-KIA MOS管

關(guān)于LED

近年來(lái)Light-emitting diode（LED）被廣泛用于照明行業(yè)，相較于其他光源，LED具有諸多優(yōu)勢(shì)：光效高、壽命長(zhǎng)、色溫變化小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、體積小等。

LED發(fā)光原理

當(dāng)電流被注入到半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，原子中低能級(jí)的電子吸收能量從基態(tài)被激發(fā)到較高能級(jí)，這個(gè)能級(jí)我們稱之為激發(fā)態(tài)。而激發(fā)態(tài)的壽命是短暫的，他十分容易回歸到基態(tài)。

在回歸基態(tài)時(shí)激發(fā)態(tài)電子會(huì)釋放出多余的能量，這些能量中有一部分以光子的形式傳遞了出去。這一過(guò)程稱為能級(jí)躍遷。這里描述的是自發(fā)輻射的過(guò)程，有別于激光二極管的受激輻射。

自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子，光譜較寬，方向性較差，響應(yīng)較慢，屬于非相干光源。適用于低速光通信和普通的照明。

節(jié)能是各行各業(yè)不斷努力的目標(biāo)，“按需照明”需要根據(jù)環(huán)境的變化，人員的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)燈光的亮度，實(shí)現(xiàn)即不影響人的生產(chǎn)活動(dòng)，又做到高效節(jié)能的目的。那么LED是怎么實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)的呢？

LED亮度調(diào)節(jié)

1.調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流

圖一 電流光強(qiáng)圖

圖一是1w（額定電流為350mA）白光LED的驅(qū)動(dòng)電流與發(fā)光強(qiáng)度對(duì)比圖。可以看到，當(dāng)電流為350mA時(shí)，光強(qiáng)為1倍，當(dāng)175mA時(shí)，光強(qiáng)為0.5倍，在低于額定電流時(shí)基本保持線性。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小可以很好的控制LED的發(fā)光強(qiáng)度。

2.控制做功時(shí)間

先提一個(gè)生理特征：當(dāng)人看到一幅畫(huà)面快速閃過(guò)時(shí)，這幅畫(huà)面產(chǎn)生的視覺(jué)刺激會(huì)在大腦中停留幾十到幾百毫秒時(shí)間，亮度越亮，停留的時(shí)間越長(zhǎng)。

這一特征我們稱為視覺(jué)殘留，早在宋朝的時(shí)候，人們就已經(jīng)利用這一生理現(xiàn)象發(fā)明了“走馬燈”，到后來(lái)又出現(xiàn)了一幀一幀畫(huà)出來(lái)的動(dòng)畫(huà)片，一格格播放的露天電影，都是利用了視覺(jué)殘留這以特征。

現(xiàn)在電影的標(biāo)準(zhǔn)是每秒播放24幀，也就是1秒鐘只放24幅圖片，而這在我們看來(lái)是非常連續(xù)，非常真實(shí)的。

直流DC

PWM（脈沖寬度調(diào)制）,這是一種應(yīng)用非常廣泛的調(diào)節(jié)方式，不僅可以用在亮度調(diào)節(jié)上，還用在逆變器，模型里的舵機(jī)，多軸飛行器里姿態(tài)控制都離不開(kāi)PWM。

圖二 PWM

如圖二，如果我們要把一個(gè)20mA的LED燈的亮度調(diào)節(jié)到25%，我們可以把電流直接調(diào)到5mA，也可以讓LED以20mA的電流亮25%的時(shí)間，滅75%的時(shí)間，如此循環(huán)，當(dāng)這個(gè)循環(huán)足夠的快，快到人眼便無(wú)法感到閃爍。這種調(diào)節(jié)工作時(shí)間（調(diào)節(jié)脈沖寬度）的方式就是PWM。

我們?cè)偬子霉絹?lái)羅列一下上面的觀點(diǎn)：

因?yàn)?W = P*t = U*I*t

所以 0.25W = U*(I*0.25)*t = U*I*(t*0.25)

（由于LED在調(diào)節(jié)電流的過(guò)程中，正向?qū)妷鹤兓淮螅瑸榱撕?jiǎn)化計(jì)數(shù)我們假設(shè)電壓是不變的）

交流AC

電網(wǎng)的電都是以交流的形式傳輸?shù)浇K端設(shè)備，可控硅是一種可以被控制什么時(shí)候被導(dǎo)通的半導(dǎo)體器件，即控制導(dǎo)通角，它會(huì)在電流0位置時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。所以可以通過(guò)可控硅直接控制輸入到設(shè)備的電能。

下圖中咖啡色的線就是電網(wǎng)電壓，藍(lán)色線為被可控50%切相后的波形。

圖三 可控硅切相

各種調(diào)光方式的優(yōu)缺點(diǎn)

真正的不閃式調(diào)光方式就是用通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。高頻的電流脈沖可以使用小體積的電感就能輕而易舉的濾成平順的直流。所以好的護(hù)眼燈都應(yīng)該是用這種方案的。

圖四 電流與波長(zhǎng)

電流調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)：圖一指出的電流與光強(qiáng)的關(guān)系并不是單純的線性關(guān)系；而且更為微妙的是：圖四中隨著電流的減小，LED的光譜波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，即紅移（白光燈珠則表現(xiàn)為色溫變暖）。

雖然人對(duì)色溫的偏差并不是太敏感，但是對(duì)色彩的差異還是非常敏感的，所以當(dāng)需要精確控制亮度時(shí)（RGB混色）就比較麻煩了，需要通過(guò)算法來(lái)修正誤差。PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，特別是需要做多路調(diào)光的時(shí)候。

另外由于工作時(shí)的電流一直都是以額定電流工作，所以不存在調(diào)節(jié)電流的光強(qiáng)線性度與光譜偏移的問(wèn)題。

切相調(diào)光是為了兼容白織燈時(shí)代所遺留的調(diào)光器。優(yōu)點(diǎn)是，調(diào)光器存量市場(chǎng)巨大，特別是在美國(guó)。其實(shí)這種調(diào)光器一點(diǎn)都不適合LED燈具。

白織燈因?yàn)槭?/span>鎢絲發(fā)熱產(chǎn)生光，具有熱惰性，鎢絲不會(huì)應(yīng)為電壓被切掉而馬上冷卻停止發(fā)光。

但是LED卻是高動(dòng)態(tài)的發(fā)光器件，要避免閃爍需要持續(xù)供電，為了在市電50/60Hz下不發(fā)生閃爍，需要在電路上做較多的處理，因此支持可控硅調(diào)光的LED燈的PF都做不高。

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