LED亮度調節原理圖文解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-08-25
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：光效高、壽命長(cháng)、色溫變化小、動(dòng)態(tài)響應快、體積小等。
當電流被注入到半導體的PN結時(shí)，原子中低能級的電子吸收能量從基態(tài)被激發(fā)到較高能級，這個(gè)能級我們稱(chēng)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(chēng)為能級躍遷。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，響應較慢，屬于非相干光源。適用于低速光通信和普通的照明。
節能是各行各業(yè)不斷努力的目標，“按需照明”需要根據環(huán)境的變化，人員的變化自動(dòng)調節燈光的亮度，實(shí)現即不影響人的生產(chǎn)活動(dòng)，又做到高效節能的目的。那么LED是怎么實(shí)現亮度調節的呢？
1.調節驅動(dòng)電流
圖一 電流光強圖
圖一是1w（額定電流為350mA）白光LED的驅動(dòng)電流與發(fā)光強度對比圖。可以看到，當電流為350mA時(shí)，光強為1倍，當175mA時(shí)，光強為0.5倍，在低于額定電流時(shí)基本保持線(xiàn)性。因此，通過(guò)調節電流的大小可以很好的控制LED的發(fā)光強度。
2.控制做功時(shí)間
先提一個(gè)生理特征：當人看到一幅畫(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(cháng)。
這一特征我們稱(chēng)為視覺(jué)殘留，早在宋朝的時(shí)候，人們就已經(jīng)利用這一生理現象發(fā)明了“走馬燈”，到后來(lái)又出現了一幀一幀畫(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。
現在電影的標準是每秒播放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，非常真實(shí)的。
直流DC
PWM（脈沖寬度調制）,這是一種應用非常廣泛的調節方式，不僅可以用在亮度調節上，還用在逆變器，模型里的舵機，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燈的亮度調節到25%，我們可以把電流直接調到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。這種調節工作時(shí)間（調節脈沖寬度）的方式就是PWM。
我們再套用公式來(lái)羅列一下上面的觀(guān)點(diǎn)：
因為 W = P*t = U*I*t
所以 0.25W = U*(I*0.25)*t = U*I*(t*0.25)
（由于LED在調節電流的過(guò)程中，正向導通電壓變化不大，為了簡(jiǎn)化計數我們假設電壓是不變的）
交流AC
電網(wǎng)的電都是以交流的形式傳輸到終端設備，可控硅是一種可以被控制什么時(shí)候被導通的半導體器件，即控制導通角，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備的電能。
下圖中咖啡色的線(xiàn)就是電網(wǎng)電壓，藍色線(xiàn)為被可控50%切相后的波形。
圖三 可控硅切相
真正的不閃式調光方式就是用通過(guò)調節電流來(lái)實(shí)現的。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。所以好的護眼燈都應該是用這種方案的。
圖四 電流與波長(cháng)
電流調節的缺點(diǎn)：圖一指出的電流與光強的關(guān)系并不是單純的線(xiàn)性關(guān)系；而且更為微妙的是：圖四中隨著(zhù)電流的減小，LED的光譜波長(cháng)會(huì )變長(cháng)，即紅移（白光燈珠則表現為色溫變暖）。
雖然人對色溫的偏差并不是太敏感，但是對色彩的差異還是非常敏感的，所以當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調光的優(yōu)點(diǎn)是系統簡(jiǎn)單，特別是需要做多路調光的時(shí)候。
另外由于工作時(shí)的電流一直都是以額定電流工作，所以不存在調節電流的光強線(xiàn)性度與光譜偏移的問(wèn)題。
切相調光是為了兼容白織燈時(shí)代所遺留的調光器。優(yōu)點(diǎn)是，調光器存量市場(chǎng)巨大，特別是在美國。其實(shí)這種調光器一點(diǎn)都不適合LED燈具。
白織燈因為是鎢絲發(fā)熱產(chǎn)生光，具有熱惰性，鎢絲不會(huì )應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，因此支持可控硅調光的LED燈的PF都做不高。
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