LED灯调光

1、先简单说说LED发光原理

led是英文Light Emitting Diode的简写，中文意思为：发光二极管，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，N型半导体内的电子与P型半导体内的空穴在发光层剧烈地碰撞复合产生光子，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的不同材料的半导体会产生不同颜色的光色，如红光、绿光、蓝光等等。但是，到目前为止还没有任何一种半导体材料能发出白色的光，我们使用最多还是发蓝光LED。

蓝光LED转变为白光LED，最大的原因在于晶片中多了一层荧光粉。蓝光LED基片安装在反射腔中，覆盖以混有荧光粉树脂薄层，约200-500nm。所产生的蓝光有一部分会直接穿过荧光涂层直接发射出去;剩下的一部分会打在荧光涂层上并与之作用产生黄色光子。蓝色光子与黄色光子共同作用（混合）就产生了白光。

LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。如果蓝光的占比多一点，则产生高色温的白光;相反，如果黄光占比多一点，则产生色温较低的白光。这种通过蓝光得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。

2、LED调光方式之1：DC调光（或称：功率调光、直接驱动调光）

DC调光是通过调整LED灯的电流大小来实现亮度的控制，或者说是通过调节电路功率来改变亮度（功率 = 电压 x 电流），所以改变电压或电流都能改变屏幕亮度。

首先来看一下LED能采用DC调光的原理， 它是能发光的二极管，是靠电子流向P区，在P区里电子跟空穴碰撞，然后就会以光子的形式发出能量，所以它的发光原理决定LED的亮度是和它的正向电流成正比的。所以大多数LED会给出额定电流，但这并不等于LED只能工作于这些额定电流，例如某厂的1瓦LED和3瓦LED是同一型号，电流从350mA加大到700mA，功率就从1W加大成3W，所以这个LED可以工作在350-700mA之间的任意值。

所以调节通过LED的电流就可以调节它的发光强弱。

如何调节电流大小呢，直接调节电压吗？我们可以看到它的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似。只不过通常曲线很陡。因为根据LED的二极管伏安特性，会发现：当正向电压加到死区电压以上的时候，轻微的电压波动，会导致通过发光二极管LED的电流程指数式的波动。LED伏安特性的非线性，很小的电压变化就会引起很大的电流变化，从伏安特性上可以看出，电源电压的10%的变化，就会引起正向电流的几倍的变化。

而且并不是LED电压定了，电流也就定了。实际上，LED的伏安特性并不是固定的，而是随温度而变化的，。假定采用3.3V恒压源常温下工作在20mA，而温度升高到85度时，电流就会增加到35-37mA，而其亮度并不增加。电流增加只会使它的温升更高，这样就会增加光衰，降低寿命。

从LED的伏安特性，我们可得知LED光源的调光也不能够简单用调整LED的输入电流来实现。例如，在一个输入为24V的LED灯具中，采用了8颗1W的大功率LED串联起来。在正向电流为350mA时，每个LED的正向电压是3.3V，那么8颗串联就是26.4V，所以应该采用26.4V的恒流源。调光时，把电流降到100mA，这时候的正向电压只有2.8V，8颗串联为22.4V，负载电压就也要变低。

所以LED不能靠单纯调节电压、电流来调光，一般都会采用宽电压恒流调光电源，恒流源的意思就是LED的电流大小是靠电源决定的，宽电压的意思是电源会根据LED伏安特性来自动匹配合适的电源电压。

3、led调光方式之2：PWM调光

PWM调光是通过控制LED灯的开关时间和占空比来达到调光的效果。 上面说到可以选用可降压型(宽电压)恒流源，例如10V-30V恒流源来进行调光，但是这种可降压型(宽电压)恒流源如果调到一个低的正向电压，LED的负载电流也变得很低，因此降压比非常大，可能会超出这种可降压型(宽电压)恒流源的正常工作范围，使它无法工作而产生闪烁。另外可降压型(宽电压)恒流源长时间工作于低亮度，会使可其效率降低及温升增高而无法工作，因为可降压型(宽电压)恒流源的效率是和降压比有关的，降压比越大，效率越低，损耗在芯片上的功耗越大，从而会损害恒流源及LED光源的寿命。

PWM(脉宽调制)调光方式可以很好的解决以上问题，因为LED是一个二极管，它可以实现快速开关，它可允许的开关速度可以高达微秒以上，是任何发光器件所无法比拟的（所以传统灯具开闭太慢是没有办法用到这种调光的）。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度，这种方法称为脉宽调制(PWM)调光法。

PWM调光调节亮度并不靠改变功率，而是靠屏幕的亮、灭交替。PWM调光点亮时并不是持续发光的，而是在不停地点亮、熄灭屏幕。当亮、灭交替够快时，肉眼就会认为LED一直在亮。

在亮、灭的过程中，熄灭状态持续时间越长，LED给肉眼的观感就是亮度越低。点亮的时间越长，熄灭时间就相应减少，LED就会变亮。大多数是固定频率，改变占空比，调整亮度就是调整占空比。

LED PWM(脉宽调制)调光方式还有以下的优点：

　　1、不会产生任何LED色谱偏移，因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。

　　2、有极高的调光精确度，因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。

　　3、即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比)，更不可能发生过热等问题。

　　4、可以和数字(DALI/DSI/DMX 512)控制技术相结合来进行控制，因为数字控制信号很容易变换成为一个PWM信号。

但是，虽然LED PWM(脉宽调制)调光方式有很多优点，还有以下两个问题：

　　1、脉冲频率的选择，因为LED是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于100Hz，最好为200Hz，如果考虑视觉疲劳还应该更高（喜欢关注手机朋友可以注意一下手机OLED屏的PWM调光频率是多少）。

　　2、调光引起的啸声，虽然200Hz以上人眼无法察觉，可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。

4、LED调光的控制方式

前面我们说了LED调光方式是靠LED电源来调光，LED电源可以理解为LED灯的本身组成的一部分，类似于传统荧光灯的镇流器。就像灯具点亮熄灭需要一个开关控制一样，灯具的调光也需要根据电源收到的指令来调光，这个指令使用的不同，就形成了灯具各种调光的控制方式。下面我们讲讲，市场上常见的六种LED照明设备控制方式：

1. 前沿切相(FPC)，可控硅调光

2. 后沿切相(RPC)MOS管调光

3. 1-10V调光

4. DALI(数字可寻址照明接口)

5. DMX512(或DMX)调光

6.无线调光（蓝牙、wifi、zigbee、射频）

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/630692167