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pwm调光技术与原理

来源:    2017-04-13

  在讨论pwm调光技术与原理前,我们先了解一下LED调光。不同场合对于光的要求是不同的,同一个场合在不同的情境下对于光的要求也是不同的。举一个最常见的例子,会议室,在会议上讨论发言时灯光要求明亮,而投影仪演示时要求灯光调暗。再比如一些高级的会所、酒店、餐厅都会利用灯光来营造不同的环境氛围,所以光通量的大小通常由环境和用途决定。

  当下LED作为主要照明光源,改变光的输出需求当然在不断增加。改变LED光输出的方法一般有两种:第一种是减小流经LED的电流,而LED发射的光量与流经LED的电流成正比;第二种方法是为LED提供脉波电流,LED发射出的光与工作周期(Duty Cycle)成正比(即pwm调光)。使用减小电流的方法进行LED调光类似于大多数白炽灯泡使用的调光方法。这种减小电流的方法在为数不多的应用中可以接受,但随着光等级降低,LED发出的光色彩也根据电流而变化。电流较小时,色度(Chromaticity)朝向黄色变化。图1显示不同电流时的典型色度变化。

pwm调光

图1 LED不同正向电流时的典型色度变化

  白炽灯泡的亮度能够藉减小电流的方法来调光至低于完整亮度的1%,因为白炽灯是藉由电流流过灯丝,使灯丝发热进而发光。但使用减小电流的方法,极难将LED亮度调至低于完整亮度的5%,因为所需的电压势会导致矽结点破裂并开始导电。LED是二极体,随着结点破裂,它就像是电子雪崩,电阻急速下降。要提供足够电压,使LED以极低电流导电非常困难。图2显示LED在不同正向电压(V)条件下的典型正向电流的曲线。

调光原理

图2 LED在不同正向电压条件下的典型正向电流

  为LED提供脉波电流的方法也称作PWM,pwm调光方法已经成为改变光等级的首选方法。LED本身是矽元件,对应流经它们的电流导通及关闭而快速地导通和关闭。开关时间在100奈秒(ns)等级,相当于最大频率10MHz。应用通常以100Hz~100kHz的频率工作。频率低于100Hz时,人眼会观察到LED光闪烁。频率在500Hz~20kHz之间时,电路可能产生能听到的杂讯。调光是通过在单个开关周期的某部分时间内将LED导通;而在此开关周期的其余部分时间内,将LED关闭来实现。这种导通关闭周期称作工作周期(D),其表达方式为LED导通时间(TON)除以整个开关/导通周期时间(TS)(图3)。

调光技术

图3 LED的开关周期示意图及工作周期计算公式

  在LED导通期间,流经LED的电流保持恒定,使LED发射的光恒定,且无色度(色彩)变化。亮度与LED导通时间所占的百分比成正比。 LED调光既可通过减小电流,亦可通过缩短LED导通时间来进行。减小电流的方法会导致LED光输出的色彩变化,首选的方法是通过使用PWM调光讯号来缩短LED导通的时间。

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