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LED的控制

2014-12-10 21:12:07      点击:
4.1 冷流明与热流明
 
LED发出的光通量与正向电流的大小紧密相关,一般产品手册中列出的光通量都是指在额定正向电流If (例如350mA)下的额定光通量。达到额定光通量所需要的输入功率可以用 P=If×Vf 来计算。其中Vf是LED在额定电流If时的正向电压。
 
LED的发光效能(后面简称“光效”)以光通量与输入功率的比值来表达。但是,这些额定电流和电压都是LED发光层Tj为25℃时的数值,这也就是我们所称的冷流明。在实际的灯具中,LED的结温会因为LED芯片能量转换时的热消耗而明显上升。最高的结温Tj按不同的LED种类一般在130℃到150℃。结温越高对LED芯片的损耗越大。
 
如图4.1.1所示,LED的光通量随着结温的升高而降低。所以在实际应用中,LED的结温越低越好。我们所指的热流明是指LED在达到稳定工作时的结温(70-120℃)状态下所发出的光通量。
 
1相对光通量与结温的函数关系曲线图
图4.1.1 相对光通量与结温的函数关系曲线图
 
另一方面,结温越高LED芯片的内阻越小,光效越高。我们一般用“电压的温度系数VT”来表示这样的降低,即mV/℃。
 
LED灯具中最常见的是被动式散热系统,做这种系统设计时必须考虑几项主要因素比如LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理,以及下文中描述的其它因素。
 
2Cree XP特性
图4.1.2 cree XP-E HEW的各项特性
 
Thermal Resistance,junction to solder point
焊点处热阻
 
Viewing Angel(DWHM)- white
发光角度(白光)
 
Temperature coefficient of voltage
电压的温度系数
 
ESD classification(HBM per Mil-Std-883D)
静电放电等级(HBM per Mil-Std-883D)
 
DC Forward Current
正向电流
 
Reverse Voltage
反向电压
 
Froward Voltage(for 350 mA)
正向电压(350 mA)
 
Froward Voltage(for 700 mA)
正向电压(700 mA)
 
Froward Voltage(for 1000 mA)
正向电压(1000 mA)
 
LED Junction Temperature
LED结温
 
由图4.1.1,我们可以发现当结温为25℃时,该LED发出100%的相对光通量;而当结温升高至150℃时,相对光通量则降低至70%。
 
根据方程式:
 
光效 = Tj对应的相对光通量/[(Vf + ΔV)×If ]
 
其中ΔV = (Tj — 25) × VT
 
(注:Tj为结温,Vf为额定电压,ΔV为电压变量,If 为额定电流,VT为电压的温度系数)
 
我们能够计算LED Cree XP-E HEW在结温25℃对应相对光通量为114 lm情况下的光效,通过额定正向电流350 mA(图4.1.2)进行如下偏置:
 
ΔV = (25 - 25) × (-0.003) = 0 V
 
那么:
 
在If = 350 mA, Tj = 25 °C的情况下,
 
光效 = 114/[(3 + 0)×0.35]=108.57 lm/W
 
现在计算LED在结温150℃下的光效,通过同样电流进行偏置(根据图4.1.1,结温150℃对应相对光通为79.8 lm):
 
ΔV = (150 - 25) × (-0.003) = -0.375 V
 
那么:
 
在If = 350 mA, Tj = 150℃的情况下,
 
光效 = 79.8/[( 3-0.375)×0.35]=86.86 lm/W
 
通过比较两者我们可以发现,当结温上升时功耗会略有下降,但是光通量会有更明显的下降。在功率和光通量两者的共同作用下,光效会随着结温的上升而下降。
 
在实际应用中,一般结温总是高于25℃,因而”冷流明”数据虽然好看,但并不能代表LED的性能。实际LED的光效总是低于基于冷流明计算的光效,并且会受环境温度的影响,所以在做灯具设计的时候我们必须要考虑热流明。
 
4.2  LED调光
 
一、正向电流调光
 
由于LED的发光量取决于正向电流的大小,所以LED调光最简单的方法就是改变正向电流。图4.2.1揭示了光通量随正向电流的改变。由于两者的关系接近于线性变化,所以通过改变正向电流来进行调光,控制算法的实现就非常简单。
 
3相对光通量与正向电流的函数关系曲线图
图4.2.1  相对光通量与正向电流的函数关系曲线图
 
但是,如图4.2.2所示,正向电流的改变会引起色坐标(Cx,Cy)的移动,并且直接影响LED的光色品质参数(相关色温、显色指数)。
 
4结温的变化
图4.2.2 Osram LCW W5PM 的色坐标随(a)正向电流和(b)结温的变化而移动
当正向电流为350 mA时,色坐标为(0.440,0.408),对应的相关色温为2985 K。如果正向电流降低至100 mA,色坐标移动为(0.448,0.406),对应的相关色温为2838 K。正向电流的改变导致相关色温改变了147 K(图4.2.2a)。
 
同样的,结温的改变也会引起色坐标的变化。当结温为20°C时,色坐标为(0.436,0.406),对应的相对色温为3036 K。当结温升高至100°C,色坐标改变为(0.428,0.399),对应的相对色温为3121 K。两者的色温相差85K。这会导致当若干LED灯具同时调暗时,这样令人烦恼的相对色温差大体上明显可见。
 
优点:
不会引起LED的闪烁效果。
 
缺点:
灯具调暗时,相对色温会发生变化。
 
 
二、脉冲宽度调制 (Pulse-widthmodulation,简称PWM) 调光
 
另一种实现LED调光的方法则是脉冲宽度调制(PWM)。该种调光的原理就是使用额定电流高频率地开关LED。LED的供电与断电时间长短决定了LED的调光水平。由于开关频率已经高于人眼视觉可以感受到闪烁的频率,因而人眼会感到LED始终开着,但是其发光的强度则取决于PWM的占空比(duty-cycle)。
 
图4.2.3列举了50%和70%占空比各自的PWM调光示例。
5脉冲宽度调制调光示例
 
图4.2.3 脉冲宽度调制调光示例:
a) 50%占空比
b) 70%占空比
 
优点:
全调光范围内相对色温稳定。
 
缺点:
灯具调暗时,可能会产生闪烁效果。
 
4.3  LED的连接方式
 
单颗LED的光通量是不够的,所以一般我们都将若干LED连接在一起来实现想要得到的光通量。LED的连接方式一般分为四种:
 
LED颗粒串联连接
LED颗粒并联连接
LED颗粒串并联连接
LED颗粒矩阵连接
 
一、LED颗粒串联连接
 
串联连接的LED(图4.3.1)都发出相同的光通量,并且不受正向电压的影响,正向电压可以根据串联数量的不同而改变。这样的连接方式要使用恒流驱动电源,即使一路中有一个或几个LED芯片短路也能保持稳定。串联方式连接LED对使用正向电流与PWM调光都比较理想。一般用于要求稳定CCT和CRI的情况。
 
6LED颗粒的串联连接
图4.3.1 LED颗粒的串联连接
优点:
每个LED的电流相同 - 稳定的CCT和CRI
高光效– 不用使用外置平衡电阻
LED短路时不会产生影响
使用正向电流与PWM调光的理想连接方式
 
缺点:
当某个LED断路时整串会熄灭
LED恒流驱动电源价格更高
 
 
二、LED颗粒并联连接
LED颗粒并联连接(图4.3.2)的一大优势便是可靠,即便某个LED不能正常工作也不会影响别的LED的工作。并联需要恒压驱动电源。该种连接方式一般用于对CCT和CRI要求不高的情况,主要为装饰照明。
6LED颗粒并联连接
图4.3.2 LED颗粒的并联连接
优点:
恒压电源较为便宜
不受某个LED的断路失效影响
 
缺点:
效能低
某个LED短路时会不稳定
不能用于正向电流调光
 
三、LED颗粒串并联连接
 
相比于并联,该连接方式整体效能的增加胜过了故障防护功能上的轻微下降,光色品质参数(CCT和CRI)也更加稳定,并且可以使用价格较低的恒压电源驱动。串并联连接(图4.3.3)一般用于LED颗粒数量较多的情况,例如长串装饰LED灯带。
6LED颗粒串并联连接
 
图4.3.3 LED颗粒的串并联连接
 
优点:
可以同时驱动数量很多的LED
LED断路和短路保护
 
缺点:
效能较低
不能用于正向电流调光
 
 
四、LED颗粒矩阵连接
 
当LED按矩阵方式连接时(图4.3.4),我们可以同时控制数量众多的LED,并且保持其相关色温的稳定性(在不管哪一颗LED在何种故障的情况下)。矩阵连接的LED可以使用恒流电源与恒压电源驱动。
 
7LED颗粒矩阵连接
图4.3.4 LED颗粒的矩阵连接
 
优点:
可以同时控制数量众多的LED
效能高
可以使用正向电流和PWM(使用恒流电源时)调光
LED断路和短路保护
 
缺点:
印刷电路板的设计相当复杂
 
 
4.4  LED的驱动
 
如图4.4.1,就是一个简单的用于向LED提供电流的驱动电路。驱动将电网中的交流电转换为直流电,并且进行优化。具有特别功能的LED灯具(例如调光、应急照明、人员感应、远程控制)需要较为复杂的驱动电路。
8LED接线基本示意图
 
图4.4.1 LED接线基本示意图
 
一、LED驱动的种类与重要参数
 
根据驱动的输出信号,我们将LED驱动分为三类:
 
恒流驱动(CC):用于LED串联连接,驱动提供稳定的电流,实现调光的理想驱动方式;
恒压驱动(CV):用于LED并联连接,装饰LED灯带的理想驱动方式,驱动的LED数量可随意改变,一般不用于调光;
特殊驱动(CC+CV):串联和并联LED都可以使用,价格比较昂贵的驱动方式。
 
9LED驱动的种类
图4.4.2 OMS Elite Vega LED的控制器件,应用了多种驱动方式
 
LED驱动的重要参数:
 
额定电流/电压:预定的输出电流或电压;
额定功率:驱动的输出功率;
功效:输出功率与输入功率的比值(%),功效越高驱动越好。
 
二、LED驱动的其他特点
 
模拟信号通讯——用于LED调光的最简单方式
 
模拟信号通讯在照明业中仅用于实现调光,这是用于商业照明(比如店铺中的射灯)中最常见的调光系统。缺点是模拟信号调光不能完全关闭LED。
 
模拟信号调光主要有两种方式:
 
前切/后切可控硅调光:只能实现单个灯具的调光;
0-10V,1-10V调光:可以实现多个灯具的同时调光(如图4.5.1所示)
1-10V调光示意图
 
图4.5.1 1-10V调光示意图
 
数字信号通讯– 与灯具的复杂通讯方式
 
数字信号的通讯可以通过数字信号控制多个LED驱动,并且对每个驱动进行单独控制,同时该系统可以得到每个灯具状态的反馈信号。数字信号通讯可以实现调光、动静探测、远程控制、白光调节、场景预设等,是用于实现灯具数量种类繁多的照明项目的理想通讯方式。
 
常用的数字信号通讯:
 
DALI (digital addressable lightinginterface),数字可寻址照明通讯,最常见的数字信号通讯(图5.4.2)
DSI (digital signal interface)  数字信号通讯
DMX (digital multiplex) 多通道数字通讯
KNX (worldwide standard for allapplications in home and building control) 应用于所有家居和公共建筑控制的全球标准
 
DALI控制的示意图
图4.5.2 DALI控制的示意图
 
白光调节
 
如果我们在LED驱动中使用两套电路,我们可以将两个不同CCT的白光LED同时连接在一个驱动上进行控制,一个为暖白光,一个为冷白光。(如图5.4.3)这样的方式可以实现白光的调节,从而适用于各种不同需求的应用场景。
 
实现白光调节的示意图
图4.5.3 实现白光调节的示意图
 
温度反馈
 
我们还可以通过LED工作温度的即时反馈来调节驱动电流,以避免环境温度过高时,LED过热而引起的寿命减短。通过这种方式,可以轻松地维持LED的使用寿命。
 
温度反馈的示意图
图4.5.4 温度反馈的示意图
 
远程控制
 
LED的驱动可以非常简单的实现无线的远程控制,如图4.5.5所示。
远程控制示意图
 
图4.5.5 远程控制示意图
 
应急照明
 
带有应急照明功能的LED驱动会实时监测输入驱动的电流。当输入电流被切断时,LED驱动会自动切换至由后备电池对LED进行供电。一般后备电池可以提供1至3小时的应急照明。这是在公共建筑照明中,法律法规所要求的一种重要功能。
应急照明的示意图
 
图4.5.6 应急照明的示意图