探析LED照明灯具调光调色技术现状及发展

探析LED照明灯具调光调色技术现状及发展

洪宽

（身份证号码：33072619761116XXXX浙江杭州310012）

摘要：当下，LED调光器作为调整灯光亮度的电气装置，其性能逐步完善，并能够与切相调光器调配使用控制照明。在切相调光器保持工作状态下，LED驱动电源可通过改变单调速率调度的方式控制电流，进而调节灯具亮度，但无法通过色度调节增强照明环境舒适度体验。基于此，本文围绕LED照明灯具调光调色技术展开深度探究。

关键词：LED调光器；切相调光器；调光调色技术；

LED光源具有高效率、低成本、轻污染等优势特征，被广泛应用与各类照明场合。通过调光性能测试可知，LED灯具在光通量递减的过程中，其色温变化细微，无法满足照明环境对舒适度的需求，针对此，加强LED照明灯具调光调色技术的研究，改善照明条件具有实际意义。

1简述LED照明的核心原理

众所周知，LED照明的学术全称为发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。其核心原理是由P型半导体和N型半导体组成晶片，在二者之间形成空间荷载区，注入的少数载流子与多数载流子发生复合反应时，就会将过剩的能量转化成光能。在此基础上，利用三基色原理，在荧光粉的配合下呈现出五彩斑斓的光色。而LED灯具就是基于LED光源研制的造型多样化照明灯具。LED灯具不仅可以增强照明环境舒适度，也可以借助绚丽的光色营造气氛，适用于多类公共服务场合。

2照明原理

LED光源的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结，所以其具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。另外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发光效应发生在P区，那么注入的载流子就会与价带空穴发生直接复合反应转化成光能，或者载流子预先被发光中心捕获，过量载流子再与空穴发生复合反应形成光源。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

理论实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙Eg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26-1.63eV之间。如今已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，其中蓝光二极管成本很高，使用不普遍。

3综合论述LED照明灯具的优势

3.1控制电能消耗，节约经济成本

通常来说，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率高达80%以上。为探究LED灯具的优势，专业研究人员将普通白炽灯、螺旋节能灯、T5三基色荧光灯与LED灯进行了对比测试，其测试结果为：同等条件下，普通白炽灯的照明效率12lm/w，寿命在2000h以内；螺旋节能灯的照明效率为60lm/w，寿命在8000h以内；T5荧光灯的照明效率为96Alm/w，寿命在10000h以内；而直径为5mm且呈白色光的LED灯具的照明效率为20―28lm/w，寿命超过100000h。由此可间，随着照明技术水平的提高，LED灯具的使用寿命有望继续延长，最大限度的满足公众对照明的需求。

一般人都认为，节能灯可节能4/5便是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更伟大的改革。此外，LED光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源，且可靠耐用，维护费用极为低廉。

3.2性能稳定、轻污染

经测算，常规LED灯具的工作电压基本维持在1.4―3V质检；工作电流仅10mA，亮度级配较高的灯具最大电流也不超过1A。另外，LED灯具在生产加工过程中，既不需要添加Hg元素，也不需要充气，具有性能稳定、轻污染的优势特征，符合可持续发展的基本要求。

3.3使用寿命长

一般的LED灯具体质轻便，占用空间较小，多采用环氧树脂作为外壳封装材料，不仅透光性良好，而且可以起到防护内芯片的作用。基于此，LED灯具即便在电源频繁启动的过程中，也不会因为瞬时电压过大而烧毁。当下，居家照明使用频率较高的是白炽灯、荧光灯及节能荧光灯。

3.4响应速度快

LED的响应频率fτ与注入少数载流子的寿命τmc有关，如GaAs材料制成的LED，其τmc一般在1―10ns范围内，则响应频率约为16―160MHz，这样高的响应频率对于显示6.5MHz的视频信号来说已经足够，这也是实现视频LED大屏幕的关键因素。LED响应时间最低的已达1微秒，一般多为几毫秒，约为普通光源响应时间的1/100。因此可用于很多高频环境，如汽车刹车灯或状态灯。

3.5发光效率高

经专业研究人员测试可知，白炽灯的发光效率为12-24lm/w，钠灯的发光效率为90―140lm/w，这些灯具都会产生不同程度的热量损耗，增加需求者的成本。而经过不断升级改造的LED灯具，其发光效率可达50―200lm/w，并可以结合实际需求呈现不同光色，减小能耗。

3.6LED灯具元件密度高

基于LED灯具体量轻便，占用空间有限，可与各类设备协调配合，营造良好的视觉效果，渲染气氛。

3.7LED灯具光线能量集中

LED灯具在光线集中度方面表现出特有优势，纯度较高。

3.8LED灯具光源指向性优越

传统灯具的光源亮度衰减幅度较大，而LED照明灯具的光源指向性较为优越。

3.9LED对电源驱动要求低

LED灯具能够灵活调节负载，抗干扰能力强，且对使用环境没有特殊要求。

3.10LED灯具可调控发光光谱组成

通过调控发光光谱组成，可确保LED灯具满足会议厅、博物馆等对重点部位的集中照明需求。

3.11可控制半导体发光层带幅调整强度

LED灯具通过控制半导体发光层带幅，呈现出五光十色的光线，且色彩保护度较高。

3.12LED灯具显色性高

LED灯具的光度及色彩饱和度可结合实际需求进行灵活调节，避免刺激眼睛。

4综合概括LED灯具调光的优势

LED灯具的优势体现在可灵活调节光度及色彩饱和度，增强照明环境舒适度体验。经过调光处理的LED灯具可节省电源，减轻灯具荷载负担，延长使用寿命。

日光采集就是使用自然光来加强室内照明，达到节能的目的。再者，自动化调光功能可节省大量的电能。在住宅应用上传统的调光是通过切削给灯泡AC电源上的波形相位达至的。对于白热灯灯泡内的钨丝是完全可行的。

对于切相（phasecut）调光器的前沿式（基于TRIAC）或后沿式（基于晶体管）设计，其安装数量已达亿计，迫使新的LED照明驱动器技术与现有的调光器兼容。前沿式TRIAC调光器只需很少的”触发”电流，便开始通电即产生切相模式，这类基于TRIAC的调光器需“保持”电流，以保证调光器不致出现过早通电进而造成闪烁。LED汲取的电流不多，且相关的电子驱动器属于开关式电源，电容性滤波器与调光器内的滤波器相互抵触，进而给LED驱动器带来重大挑战。

5LED灯具调光调色的高频策略

当下，LED照明灯具调光调色技术日趋完善，而应用频率较高的则是采用颜色各异的混光或多类型色温组合而成。另外，综合参考LED照明灯具亮度集中时的色温需求、普通白炽灯调光时的亮度需求及色温变化曲线，设计LED的混光方式，配合驱动电源与完整的电流回路，对LED照明灯具进行调光调色，以此发挥创新型LED照明光源在光效、寿命及环保方面的优势。为了实现家居或特定场所的照明，可采用多种方式模拟白炽灯或卤素灯调光调色，常用方法如下：

1）利用多个存在色温差异的LED光源进行混光处理，配合专业LED调光调色电路，让LED光源在经过调光处理后，能够模拟白炽灯的调光调色原理，采用高色温与低色温LED光源混光，达到调色调光的目的。此类方法也是现阶段LED灯具调光调色应用频率较高的方法。

2）采用四种LED光源混合，在专用调光调色电力及控制装置的协调配合下，控制LED光源的光色和色温，进而营造对应的照明氛围，强化模拟白炽灯的视角效果。当下，基于此类工艺的电路控制难度系数较高，且造价不菲，因此，适用于大型高端场合。

6LED调光调色方法

切相调光器凭借其电路控制难度系数低、操作工序简便等优势特征，逐步成为调光器市场的主力军。将LED光源应用于照明后，必须要与切相调光器相互配合才能在照明市场中寻求创新发展。当下，适配切相调光器的LED驱动器技术的应用日趋成熟，并成为推进行业发展的主要动力。实现符合市场要求的LED调光调色控制电源，必须适配常用的切相调光方法，对此，LED调光调色驱动电源先要与相应的切相调光器相匹配，并依据调光调色曲线需求，设计相应的光源配置，选择适当的驱动方法，实现理想的LED调光调色。

完整的照明系统主要由LED切相调光器、LED驱动器及LED光源组合三部分构成，但在实际应用过程中，会出现LED照明调光系统在动态调光环节的兼容性等问题。三者之间的调光兼容性是LED照明行业一直在研究的难题。对此，通常在设计LED驱动器时增加额外的调光兼容性电子电路，所以切相调光LED驱动器的电子电路设计比常规的不调光LED驱动器电子电路复杂很多，且增加了LED照明产品的成本，但如果解决了LED驱动和调光控制系统的兼容性问题，兼容切相调光器的LED照明电器系统就可以满足节能环保的要求，非常有利于LED照明行业的未来发展。切相调光器按照工作原理，可以分为前沿切相调光和后沿切相调光两种控制方式，工作原理及工作状况如下。

前沿切相调光器一般用半可控开关器件—可控硅作为开关斩波器件。前沿切相控制调光电子电路架构简单，接线简单方便，成本低，容易实现替换。但由于前沿切相调光器在周期内开通瞬间，浪涌冲击电流比较大，特别是在90°相位角和270°相位角开通时，会对整个电力系统造成严重干扰，进而导致电路功率因数下降。切相调光器多采用全控开关器件参与控制（如IGBT、MOSFET或双极型晶体管BJT）。后沿切相调光电路虽然相对比较复杂，安装需要电源零火线共同接入，但由于后切相不存在高相位角开通的问题，所以浪涌冲击电流比较小，EMI干扰小。

普通白炽灯应用频率较高的光度调节方式为，可控硅切相调光电路。基于白炽灯的纯阻性特征仅限于改变输入电压有效值，故而可达到调光调色的目的。可控硅切相调光通过控制可控硅的导通角，实现对输入交流市正弦波波形的前沿切割（前沿切相）目的，进而控制白炽灯灯负载上的有效工作电压，做到白炽灯亮度的调节，由于白炽灯本身的属性，当工作功率降低时，白炽灯亮度减小，同时色温也同步减小，实现白炽灯光色的变化。

而适配前沿切相调光器的LED驱动电源在工作时，当把LED的发光亮度调到很低时，LED经常出现闪烁等现象，分析主要原因为：当把LED的发光亮度调到很低时，致使前沿切相调光器中的开关器件—可控硅工作不稳定，LED驱动电源中的输入端LC滤波器也可以使整个电路系统产生谐振效应，进而高效解决LED驱动电源的泄流问题，提高切相调光可控硅的安全稳定性，保持良好的工作状态。又因为前沿切相调光器中所用的可控硅的维持电流一般为5-10mA，为此常用LED驱动电源中设置的泄放电流需在5-10mA左右，以此确保LED调光系统在整个调光范围内稳定工作，有效消除因LED驱动电源中的电容和电感充放电而产生音频噪声和LED闪烁的问题。

7分析LED调光调色技术的未来发展趋势

为加强LED照明灯具调光调色的可靠性，纵观LED照明技术的发展现状可知，LED调光调色常用方案如下所述：

7.1两组输出方案

LED驱动电源回路需按照不同电压值设计两组输出方案，高色温条件的LED灯具串联后的工作电压设计为高电压，低色温条件的LED灯具串联后的工作电压设计为低电压，当LED调光调到最小输出时，由于低色温LED工作电压低，所以在最小调光状态时还能正常点亮，调光调色温效果比较好，目前IWATT以上述调光调色方案为基础，开发了以IW3640主芯片为主的调光调色温电路。且上述方案形成的电路存在问题主要有：当多灯一起工作并进行调光调色时，LED灯具调光调色一致性较差，目前还处于电路的改进与完善阶段。

7.2四组输出方案

LED驱动电源采用四组输出，需确保不同色温LED光源在等电压条件下的有效串联，并保证四组LED光源的工作电压和与LED驱动电源输入电压相等，进而提高LED驱动电源的输出效率。四组LED光源按高色温到低色温的次序顺序接入，调光时高色温LED光源先调暗，并依据从高到低进行LED亮度调节，当调光调到最后时，只有最低色温的LED光源工作，从而实现LED调光调色。目前该调光调色方法在MAP9010电路方案中已经实现，由于方案采用四组色温LED调光，所以调光色温变化最平滑。该调光调色方案在采用前沿切相调光时，需要加入有源假负（MAP9002电路），这样才能保证整个调光调色系统的正产运转，但基于有源假负载并接在输入端后，需要进行2.5kV的振铃波冲击可靠性测试，极易导致整个电路系统在应用过程中发生损毁，因此要不断完善电子电路，切实提高产品的可靠性指数。

7.3LED驱动+专用调色温LED模组方案

采用专用调色温LED模组与LED驱动的联合运作方案，可适用于大功率值的LED，只要确保电流值与电压值的正常驱动，才可满足调光调色要求。这种方案采用普通的可适配切相调光器的LED恒流驱动电源，并配以专用可调色温LED模组，该模组内部同样采用了高色温的LED芯片及低色温的LED芯片，并且高色温的LED芯片工作电压高于低色温的LED芯片工作电压，内部采用了专门的电流控制分配电路，一旦恒流电源的电流输出值超过限定标准，高色温回路就会启动运转，而电流输出值较小，则低色温回路将自动保持工作状态，实现LED的调光调色。

8结语

综上所述，LED灯具可模拟白炽灯实现灯具的调光调色，完善照明环境舒适度体验。与此同时，LED模组可根据照明现场的特殊需求，采用不同色温LED进行混光设计。结合LED驱动器及调光调色技术的发展形势可知，该技术可以减少电力能源的损耗，节约经济成本，最终有效避免环境污染。

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