节能LED照明

1万 · 2014-9-14 21:20

引言

照明设计者首先需考虑发光强度（计量单位为坎德拉，cd）或光通量，还要考虑被照物或被照平面所得到的光照度（计量单位为勒克斯，lx）。假如我们有一个10W的LED台灯，发出来的总光通量是600lm,若这600lm全部集中在1m2的桌面，那桌面的照度就是600lx。

不同的照明位置和不同的公共场所，有不同的照明需求标准。例如，在商店照明中，明亮的食物可刺激食欲；珠宝、钟表、衣饰等有明亮的照度可刺激购买欲；彩印、画廊、博物馆、诊疗室等都要有1000lx的照度。办公室、教室、工厂、生产线等的照明则要求300~800lx。车站、机场、大楼大厅、走廊等非工作场合有100~300lx即可。而在公园、停车场、街道则可低到10~50lx。按照实际需求，采用不同光源。好的照明设计不仅节能省电，而且也符合环保要求。

1 调光的作用和意义

灯光是人工照明，为夜晚或自然光不足的场合提供足够的照度。但灯光消耗电力，在不需要时关掉灯光可节约能源。不过在有些时段和情况下，如果可把灯光调到较暗的程度（25%~50%），也是可以显着降低能源消耗的（-50%~-75%）。

据不完全统计，全国的照明负载约占总用电量的20%,亦即照明将消耗发电系统约20%的功率。带可调光的照明产品比不带调光功能的照明产品更节能，实现照度和光通量的调节就是调光器的作用。因此，在照明设计中，充分发挥调光的作用，就完全可以达到大幅度节能的目的。

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2 现有的调光方式

2.1 电阻式调光

过去，曾采用最原始的电阻式调光，如图1所示，在照明电路中由一个可变电阻进行调光。应用非常简单，也不会产生干扰，但其分压原理是让电能不完全用在灯具（电器）上，没有效率可言。调暗灯光时，调光电阻因分压过多而产生大量的热能，造成能源的浪费和环境的劣化。故取而代之的是可控硅调光方式。

图1 电阻式调光

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2.2 可控硅调光

如图2所示，可控硅调控技术的基本原理是：利用RC移相来延迟触发，实现斩波，改变电压的均方根值（有效值为Vrms）。同时，利用双向可控硅（DIAC）导通电压的对称性，达到可控硅（TRIAC）的对称触发。故改变电阻值就可得到不同的导通角，应用切相原理，减少Vrms,以降低普通负载（电阻负载）的功率。

图2 改变电阻值可得到不同的导通角

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因此效率较高，性能也稳定。图3为可控硅调光器的工作原理图。

图3 可控硅调光的工作原理图才

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可控硅技术在工作中的特性（I-V特性）如图4所示。根据I-V特性可知：TRIAC在导通后，需要维持最小电流（维系电流Ihold）来保持导通，否则会恢复到截止状态；不同的TRIAC会有不同的Ihold值，通常在几毫安到几十毫安之间，有的甚至到50mA才能稳定导通。现在市场上能买到的不同牌号、不同种类的调光器，100W,200W,600W~1000W,功率越大就越需要大的维系电流。如果没有足够的Ihold来保证TRIAC稳定的导通角，那么输出的波形就会不均匀，产生额外的颤动和尖峰，影响输出的Vrms。

图4 可控硅技术在工作中的特性（I-V特性）

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2.3 LED照明常见的调光方法

LED照明调光通常有三种方法：

（1）线性调光；

（2）脉冲宽度（PWM）调光；

（3）可控硅调光。

其中，线性调光如图5所示。调节电流感应电压阈值，就可调节流过LED电流的大小。图5中SSD1075的电流感应电压阈值是1.2V,我们在其LD脚上输入0~1.2V的直流电压，以实现LED电流的线性调节。实测SSD1075的调光曲线，可以看出从0~1.2V输入到LD时，LED电流呈线性调节。线性调光的缺点是需要额外的直流电压源。而且由于电流感应电压阈值一般会设置得较低，其抗干扰能力较差，会产生闪烁。

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图5 线性调光

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脉宽PWM调光如图6所示。通过改变PWM输入脉冲信号的占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，就可调节通过LED电流的大小。实测SSD1075的调光曲线可知，占空比从0~100%变化时，LED电流呈线性调节。此法的缺点是需要额外的PWM信号源，且脉宽调制信号频率与LED驱动芯片对功率FET的栅极控制信号频率越接近，其线性就越差。

图6 脉冲宽度PWM调光

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线性调光和PWM调光在家用及商业应用上的最大问题，不是增加负载分压电路或产生控制脉冲信号的麻烦，而是因为这两种方法都需要控制线路。而在传统的灯具上，只具备两个电触点。如需加控制线，就无法做到替换性改造了，所以LED灯具一定需要兼容现有的SCR调光控制技术。

可控硅调控就是在芯片里或者应用电路上，在切相电源中提取导通角信息，并根据该信号控制来调控LED的驱动电流，以达到调光的效果。

根据SSD1075的可控硅调光曲线，可看出LED电流与可控硅调光呈线性调节，如图7所示。

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图7 可控硅调光原理图及调光曲线

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3 可控硅调光在应用中出现的问题及其解决方法

3.1 可控硅调光会出现100Hz的频闪

如图8所示，电网的工频为50Hz,切相波形整流后就可得到100Hz的脉冲信号，因而可直接用来产生调光的PWM信号。但在实际应用中，只要有任何轻微的电压波动或电流的变动，都会影响脉冲的占空比，这样就相当于一个100Hz的闪烁。因此，不能直接把切相波形用来调光，需要把调制信号频移至更高的频段，使人眼察觉不出闪烁现象。具体实施是通过SSD1075把调光信号调至更高的频段，如图8所示。

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图8 100Hz的频闪及其解决方法

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3.2 可控硅调光的负载问题

可控硅调光器要稳定工作，就需要有稳定的Ihold来保障调光器工作。而大部分的LED电源都是非线性开关电源，加上现在的LED很节能，整灯功率不高，故TRIAC的工作状态不稳定。由于可控硅的导通需要一定的电流，而LED负载不是线性的，其所需的输入电流是变化的，故可控硅的导通状态和触发电压也会像图9那样，随之发生变化。解决方法是在SCR信号输入端之前，加入虚拟负载，产生一个稳定的10~30mA负载给TRAIC。从图10可见，SCR的波形有了明显的改善。

图9 可控硅的导通状态和触发电压的变化

1万 · 2014-9-14 21:28

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3.3 可控硅调光的负载过热问题

如上所述，加入虚拟负载以后，按10~30mA计算，其功耗则为P=2500.01~2500.03=2.5W~7.5W,可以设想一个7.5W的虚拟负载如放在一个E27球泡灯内是断不可行的，况且效率也很低，因此，一定要让虚拟负载电流达到尽可能的小（I10mA）。此外，还要能够准确地解析出导通角信号，因而需要应用信号滤波技术，把截取进来的信号进行整形滤波，以便提高调光信号的可用性。

3.4 可控硅调光器的缺点

硅控调光器会成为未来LED照明的主流调光方式吗？答案是相当不乐观的。硅控调光器的主要缺点如下。

1万 · 2014-9-14 21:28

（1）功率因数劣化

这一调光方式的原理是：通过其主要构成组件的硅控管，用来截取交流电压部分导通角度，以改变灯具的输入功率。但导通角愈短，功率因数就愈差。调到1/4亮度时，功率因数将低于0.25。

（2）效率下降

因为在调暗时，负载不足，会造成硅控管提早关闭，使其用来改变硅控管导通角度的可调电阻与导通角度的错乱，进一步导致LED灯操作无法稳定和闪烁不定的问题。为此，通常藉加装泄流电阻（bleederordummyload）来解决。这样，用bleeder来消耗功率以保持硅控管的正常操作，就违背了原先调光节能的初衷。

1万 · 2014-9-14 21:29

（3）难于匹配

要开发一种与市面上数十厂牌硅控调光器都保证兼容的可调光LED灯具是相当困难的。有关匹配问题可参阅NxpApplicatiONNoteAn10754。

（4）高安装成本和有限的应用市场

鉴于上述原因，LED照明业者若能开创出一种接近零成本、不需要改变接线、不需要昂贵的遥控调光器，又能维持高效率与高功率因数，能便于推广普及的调光方式，这对LED照明实现节能和开拓广阔的应用市场都是非常重要的。

1万 · 2014-9-14 21:29

4 LED照明调光用的理想驱动IC

对照明这种传统产业，最可行的标准就是原来的标准；最容易的方案就是不需改变现状。迄今为止，比较成功的LED照明产品，都是造型和使用方式与传统的灯泡和灯管很相似。因而可以推测，最可行的调光方式，就是不制定新标准，不改变现状，不需要改变接线，不增加任何调光装置就能达到调光功能的一种方案。

EZDimming就是按照四段调光的基本概念，把调光功能内建（BuiltIn）在LED驱动集成电路之内的理想调光方式。没有任何其他外接零件的需要，同时在各段调光准位时，都能维持高效率和高功率因数。图11为LED照明调光用的驱动IC。

1万 · 2014-9-14 21:30

图11 高功因、高效率，具有调光功能的驱动集成电路

1万 · 2014-9-14 21:30

EZDimming侦测wallswitch切换次数，来改变调光准位。自全亮开始循序降到六分亮、四分亮、二分亮。并且在任何调光阶段，都能维持高于0.90的功率因数，高于80%的效率。切换柔和平稳，完全没有浪涌电流或噪音的不良现象。线路精简，几乎是零增加硬件成本。与其他现有的各式调光方案对比，EZDimming不只是赋有超越性的功能优势，而且不需要改变接线或任何硬件，装置成本最低。只要将传统的灯泡、日光灯管或者节能灯泡拆卸下来，再装上配有EZDimming的LED灯，立即可以将一个原先毫无调光功能的照明器具或系统，改成一个具有调光功能、既节能又环保的照明系统。

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