王团结
深圳绿米联创科技有限公司
摘要：伴随着半导体照明技术应用的日臻成熟，对LED调光技术的要求越来越高，对其研究也愈加深入。本文介绍了目前主流的LED调光技术及对LED调光的基本要求，主要就脉宽调制调光、可控硅调光、模拟调光三种LED调光方式的工作原理、优缺点及应用现状作以比较分析，同时探讨了调光方式与通信技术(ZigBee调光、电力载波调光、DMX512调光、DALI调光等)的应用结合，提出了基于绿色、高效的一些调光技术的研发思路。
关键词：LED照明;调光技术;研究;分析
引言
LED照明通信即可见光通信(VLC)，是一种使用可见光作为信息载体的新型无线光通信方式，具有通信和照明双重功能。它是利用发光二极管高速点灭的特性，通过LED发出的光载波信号对信息进行调制和传输，最后通过光电转换器件接收、解调信号，实现信息传递。LED照明通信具有节能、长寿、可控性高、绿色环保等显著优点，且LED响应时间非常短，可实现快速调制，能进行超高速数据通信。实现LED照明通信要经过调制编码、调光以及光电接收和解调的过程，本文从实际应用出发，对LED照明通信中的调光部分进行设计研究。
1LED与LED照明
1.1LED
1907年，HenryJosephRound第一次发现碳化硅sic的电致发光现象，从此为人类开启了一种新型电光源的大门。在科技人员的努力下，20世纪60年代利用GaAs人工制造出的第一个发光二极管问世。此后，经过大量研究人员的不断探索和实验，各种单基色LED灯相继被发明出来，尤其是中村修二在蓝光LED的发明中做出的努力最为突出。1993年，人们结合前人的经验制造出了白光LED。如今，LED已经越来越深入到日常生活中。它以能效高，环保无毒,寿命长和良好的可控性能等优点受到世界各国的广泛青睐和支持。
1.2LED照明
作为一种新型照明灯具，可靠性高是LED的重要特性之一。而影响LED灯具可靠性的关键因素是温度。环境温度越高，LED的寿命和可靠性会急剧下降。LED光源越早出现光衰，即寿命越短。运用调光技术可以降低输出功率，将显著改善LED灯具的工作环境温度。采用调光技术控制输出功率时，其外壳温度下降而寿命将会翻倍，可靠性也明显提高，充分证明了调光技术在延长灯具寿命和提高灯具可靠性的作用。
2LED照明调光技术的研究
2.1PWM调光
LED的平均电流是LED电流的最大值和调光功能的占空比的乘积。PWM调光是在短时间内打开和关闭LED电流。开/关频率必须比眼睛能够感知的频率更快，以免引起闪烁效应(通常超过100Hz)，PWM调光可以通过多种方式实现:①通过PWM信号直接控制;②通过集电极开路晶体管进行控制;③通过微控制器(MCU)产生的PWM信号进行控制。
2.2模拟调光
模拟调光也称为幅度调制(AM)调光。模拟调光可利用直流电压信号使LED驱动器的输出电流连续地变化，从而实现对LED的线性调光。其特点是调光信号为模拟量，并且输出电流是连续变化的，使LED的亮度能连续调节。美国Cree公司研发的白光LED(型号XLampXP-G)，当正向电流IF为350mA时的相对光通量约为100%，800mA的相对光通量约为210%，1000mA的相对光通量约为250%等等，由此判断出相对光通量与正向电流的关系近似线性变化关系，故可以通过调节驱动电流的方法实现亮度调节。
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2.3节能荧光灯光源调光方法分析
低压气体放电灯－节能荧光灯很早就进入了照明行业，特别是三基色荧光粉应用于节能荧光灯后，节能荧光灯的光特性得到了很大改善，光效率也显著提升，推动节能荧光节能灯广泛应用于各种照明场合，但由于节能荧光灯工作的特性，以及需要启动与镇流装置，利用切相调光器实现荧光灯调光技术上非常困难，但为了满足照明调光的要求，根据电子技术的发展新技术，开发了模拟调光电子镇流器，并采用标准0-10Ｖ调光信号实现节能荧光灯的调光，调光效果很好的满足了照明现场的需求，但缺陷是另外需要设置模拟调光信号线，同时电子技术与控制技术的发展，智能照明成为高端照明的重要需求，以数字控制技术为基础的照明调光技术越来越成熟，目前成熟的数字控制技术主要有北美的ＤＭＸ512舞台灯调光系统，欧洲的ＤＡＬＩ可寻找调光系统，上述先进调光技术的应用，推动节能荧光灯在二十世纪末，并与低压卤素灯光源，高压气体放电灯－ＨＩＤ光源共同撑起了现代照明，实现了照明的智能化。
2.4可控硅调光技术
可控硅调光技术在此之前主要应用在白炽灯和卤素灯的调光中。由于白炽灯和卤素灯是纯阻性灯具，并不要求电压输入波形是标准的正弦波，只要有效值能够连续可调，就可以实现调光。这一种调光方式设计在电源输入端，是用可控硅调整波形的导通角来实现电压调节，可减少输出电压的有效值，以此来降低普通负载(电阻负载)的功率。可控硅调光的优点在于工作效率较高，性能稳定。可控硅的调光方式不能完全符合LED这种非线性光源的物理特性，还存在诸多问题。例如由于可控硅破坏了正弦波波形，会降低功率因数并产生大量的高次谐波；会产生比较严重的干扰信号；对于要求精度很高的LED电源来说，还会引起LC滤波器振荡，导致音频噪声和闪烁等。尽管可控硅调光存在诸多的问题和缺陷，却无法忽略其市场应用的优势，由于大部分荧光灯、卤素灯的调光器均采用的可控硅，在进行LED灯源替换时，就必须解决LED与其的兼容性。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。随着LED调光系统的不断发展，以及替换市场的逐渐没落，可控硅调光这种不能很好配合LED灯发展的技术也会逐渐没落。
3LED调光与通信技术的结合上述的3种调光方式均可以和通信技术结合起来，实现短程和远程遥控调光。如利用无线通信ZigBee调光、电力载波调光、DMX512调光和DALI调光等。ZigBee是依赖IEEE802．15．4标准的低功耗局域网协议，其优点是无需控制线路便可以提供复杂的调光控制，缺点是驱动信号和控制器更加复杂，无线信号覆盖范围有限。X-10电力载波调光技术是利用现有电力线通过载波模式高速传输模拟或数字信号，实现智能调光远程监控的功能，其优点是不需要安排额外的控制线，原控制线易于使用且价格低廉，缺点是反应速度慢，抗干扰能力差。DMX(也称为DMX512)，是为剧院/舞台照明而开发的，可用于音乐会、"迪斯科舞厅"、夜总会等的风格照明，优点是能提供移动、倾斜、放大、色彩、图像等效果的复杂调光控制，缺点是增加了控制线路的成本。
结语
LED作为一种新兴照明光源，无论是市政设施、生物医学、商业、住宅、娱乐还是工业领域，都能受益于其可调光或通过调光而实现的附加功能，例如色彩控制等。目前LED调光技术还存在如下问题:PWM调光的主要缺点是当信号频率较高时，LED驱动器的电容器会产生噪声;控制电路相对复杂。模拟调光的主要缺点是LED电流变化时的色偏，影响白光LED的光质;模拟调光的范围比较窄;由于LED驱动器一直处于工作状态，增加了电源系统的功率损耗。TＲIAC调光的主要缺点是成本较高;在斩波发生的时候有谐波，造成了相对的低功率因数和低效率。
参考文献
［1］沙占友．LED照明驱动电源优化设计［M］．北京:中国电力出版社:2014:230-238．
［2］许金生，宋晓庆，夏升虎．LED光源调光技术综述［C］//海峡两岸第二十一届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集．中国照明学会、台湾区照明灯具输出业同业公会，2014:8．
论文作者:王团结
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：调光论文; 可控硅论文; 技术论文; 荧光灯论文; 信号论文; 节能论文; 光源论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;