LED调光系列之“交流电源的LED调光”

2011年07月05日10:36:02 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：茅于海 上海龙茂科技

作为一种光源，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。

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。

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，较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，较好做成和现在的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。

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调光较好是采用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。不过实际上真正较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。这当然是较理想的解决方案。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。

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！

所以对于灯具调光来说，家庭壁上调光不是主要的应用场合，市场也很小。反而是路灯、办公室、商场、学校、工厂的按需调光才是更重要的场合，不但市场巨大，而且节能可观。这些场合需要的不是手动调光而是自动调光、智能调光！

5.1路灯的调光

一般来说，路灯到半夜以后就没有什么用处了，所以通常的做法是12点以后关灯或者开一半亮度。但是较合理的做法是根据交通流量来控制路灯的亮度，甚至是完全自适应地控制亮度。图10就是根据当地交通流量的统计值来调节路灯亮度的一个例子。

图10. 根据交通流量的统计值来智能地调节路灯的亮度。

而为了实现这种智能调光，实际上也是十分简单的。只要把这个地区的交通流量统计值的曲线输入到一个单片机，根据这个曲线给出PWM的调光信号到恒流驱动源就可以实现。

5.2 光敏自动调光LED灯

为了减小在强日光下不必要的照明，可以采用光敏自动调光LED日光灯（或任何其他LED灯具）。它的方框图如图11所示。

图11. 光敏自动调光LED灯具的方框图和实物图。

光敏元件的作用是感受周围的日光，如果日光越强那么就输出一个PWM信号到所有靠近日光的LED灯具（例如LED日光灯），把它们的亮度调暗。一个调光信号发生器可以调节很多LED灯具，只要这些灯具的恒流驱动源带有PWM调

LED调光系列之“交流电源的LED调光”

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