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1、LED 照明调光 模拟还是数字 夏俊峰 刘倩 2010.08.23 一、前言 对于 LED 照明，是用模拟方式调光，还是用数字方式调光，有不少人对此有论述，多数是倾向于采用数字方式调光，主要是采用 PWM 方式调光。本人猜想，采用数字式调光的理念，大概是受 LED 显示屏的工作方式的影响吧。因为 LED 彩色显示屏，当某种光色的 LED 亮度较小的改变，就会引起人眼视觉上比较明显的混合色彩的差异。那么对于照明应用， LED 中电流的改变，是否会引起 LED 明显的色调变化？这就是模拟调光和数字调光孰优孰劣的一个争论焦点。数字调光和模拟调光哪个更好一些？ LED 应用于显示屏方面，较其用于照明要

2、早很多年。现有的显示屏技术，采用的是 PWM 方式来调光。当我们将 LED 用于照明时，是否要被这种观念束缚呢？ 下面将通过一系列的实验，用实验结果来阐述 LED在照明工作及调光中应该采用何种供电方式更为合适。 注意，本文是针对 LED 用于照明方面而言的，请不要套用到显示屏的应用方面，也不要套用到一些混光变色的装饰发光产品方面。同时，本文所述的模拟或数字电流，是指流过 LED 的电流是模拟的或数字的，并非指控制电源中开关管的控制信号，切勿混淆。否则会得到错误的结果！ 二、名词解释 为了在讨论中避免对一些名词的不同解释而产生误解，下面就本文采用的一些名词做些定义。 恒 流 源：指电源输出的电流

3、有效值不随负载变化而变化。 交流恒流：指输出交流电流的有效值不随负载变化而变化。比如电流波形如图 1（a ）所示。 直流恒流：指输出的直流电流有效值不随负载变化而变化。比如图 1 中（b ）、（c ）、（d ）、（e ）的电流波形。 恒稳电流：指输出的直流电流值在任何时刻都不变化，且不随负载变化而变化。唯有图 1（ b）的电流可称作恒稳电流。 脉动电流：指直流电流在有效值基础上有波动（纹波）。如图 1（e ）所示的电流波形。 脉冲电流：指直流电流具有间断的电流：如图 1（c ）、1 （d ）所示的电流波形。 模拟调光：通过连续改变光源的电流值来调节光源的亮度。 数字调光：通过改变光源电流的通、

4、断时间来调节光源的亮度。 t (s)i (A)0t (s)i (A)0t (s)i (A)0t (s)i (A)0t (s)0图 1. 恒流的波形举例 1（ a）1（b ）1（ c） 1（ d） 1（ e） 二、LED 工作电流对光电参数影响的系列实验 我们来看看恒稳电流和方波电流在 LED 上产生的差异。 为了读者能够对所有的实验内容有整体的概念和比较，首先将系列实验的目录罗列出来： 实验一，固定频率、固定占空比的脉冲电流和恒稳电流给 LED 供电； 实验二，固定频率，变占空比的方波和恒稳电流的对比； 实验三 考察频率变化对发光的影响 实验四，考察电流变化对 LED 色度参数的的影响； 实验

5、五，考察各种色光的 LED 在不同电流时，人眼感受色调变化的敏感程度。 实验一 固定频率、固定占空比的脉冲电流和恒稳电流给 LED 供电 分别取5 白色、蓝色、绿色、黄色、红色 LED，各三颗串联为一组。 (1) 采用直流电源供电，电流有效值为 20mA，测每组光通量D(2) 采用方波供电，频率为 40kHz，占空比为 0.2，电流有效值为 20mA 时，测光通量值P；（测电流取样电阻为 0.1。） (3) 保持方波频率、占空比不变，调节输入电压当光通量等于D时再读出有效电流值。（测电流取样电阻为0.1。） 实验数据及 LED 发光效果 1、白光 LED 直流电源供电 方波供电 正向电流IF(

6、mA) 光通量 (lm) 有效电流值 IA(mA) 光通量 A(lm) 方波电流 IAP(mA) 有效电流值IB(mA) 光通量 B(lm) 方波电流 IBP(mA) 20 3.625 80 46 5.084 230 20 5.084 参见图 2a 参见图 2b 方波 电流 有效值 20mA LED 发光状况 f=40K D=1/5 直流20 mA 图 2a. 电流有效值相等时的状 况2、绿光 LED 直流电源供电 方波供电 正向电流IF(mA) 光通量 (lm) 有效电流值 IA(mA) 光通量 A(lm) 方波电流 IAP(mA) 有效电流值IB(mA) 光通量 B(lm) 方波电流 IB

7、P(mA) 20 1.390 100 60 2.227 300 20 2.227 参见图 3a 参见图 3b 电流 有效值 20mA LED 发光状况 直流20mAf=40K D=1/5 方波有效值 20mA 图 3a. 电流有效值相等时的状况 图 3b. 光通量相等时的状况方波电流有效值 60mA LED 发光状况 f=40K D=1/5 直流20mA方波方波电流有效值 46mA LED 发光状况 f=40K D=1/5 直 流 20 mA 图 2b. 光通量相等时的状况方波 3、蓝光、红光、黄光 LED 实验一结果分析 由试验可以看出： （1 ）采用有效值为某个设定值（如 20mA）时，采

8、用脉冲方波供电时，插件 LED 的光通量会低于恒稳电流工作时的光通量。白光、绿光、蓝光、LED 的光通量降低分别为 28.7、 37.6、36.9% 。红、黄光 LED 的光通量降低分别为 2.97、16。 （2 ）当着保持脉冲方波供电时的光通量与恒稳电流供电时的光通量相等时，白光和绿光会有明显的颜色变化。 从 LED 的颜色变化可知，是由于大的峰值电流造成了大的热量。按照 1/5 的占空比来说，虽然 LED 有4/5 的时间处于关闭状态，但这个时间并不足以散去其导通时产生的热量。 由上述试验我们可以看到，对于插件型 LED，当着调节 LED 具有某个亮度时，相对采用恒稳电流供电，用 PWM

9、方式供电， LED 上具有更大的热量产生。或者说，在同等的光通量下，方波电流造成的功耗更大（相关数据下面的实验中会体现），光效更低。并且会影响 LED 的寿命。 实验二 固定频率，变占空比的方波和恒稳电流的对比 对 LED 分别在方波电流和恒稳直流下工作，考察不同电流供电的优劣。 1. 对 1W 级白光 LED 的试验 方波的频率为 40kHz，方波电流 340mA。调节方波的占空比，测试不同占空比下的光电参数，与相应的恒稳直流下的光电参数对比。 实测结果见图 4a。 2. 对5 蓝光、红光、黄光、绿光 LED 的试验 实测结果见图 4b、图 5a、图 5b、图 5c。 实验二结果分析： 1.

10、 从照明主要用的白光 LED 看，随着调光，电流减小，在光效上，恒稳电流显然比方波电流有着明显的优势。 2. 恒稳电流也罢，脉冲电流也罢，光通量与电流的有效值具有比较好的线性关系。 3. 当占空比小于 0.3 以后，红光和黄光 LED 在脉冲电流下的光效会高于恒稳电流的光效。不过，就红、黄光 LED 的照明应用看，主要是做装饰照明，极少会用到将光调到 1/3 以下的亮度下用。所以这点优势似乎直流电源供电 方波供电 颜色 正向电流 IF(mA) 光通量 (lm)有效电流值 IA(mA) 光通量 A(lm) 方波电流 IAP(mA) 有效电流值IB(mA) 光通量 B(lm) 方波电流 IBP(m

11、A) 蓝光 20 0.6420 20 0.4054 100 44 0.6420 220 红光 20 2.212 20 2.153 100 22 2.212 110 黄光 20 1.991 20 1.673 100 30 1.991 160 实用意义不大。 结论： 白光和蓝光 LED 不适合用方波电流供电。可以类推，具有占空比的脉冲电流不适合白光 LED照明应用。 方波稳流2 2001归一化光效5绿光LED1.52 2001归一化光效5黄光LED1.52 20015红光LED1.52 2001归一化光通量2 2001归一化光通量5黄光LED2 2001归一化光通量5绿光LED2 2001归一化耗

12、电量5绿光LED2 2001归一化耗电量5黄光LED2 2001归一化耗电量5红光LED电流有效值（ A） 电流有效值（ A）电流有效值（ A）电流有效值（ A）电流有效值（ A）电流有效值（ A） 电流有效值（ A） 电流有效值（ A）电流有效值（ A）5红光LED方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流归一化光效2 2001归一化耗电量5蓝光LED2 2001归一化光通量5蓝光LED2 2001归一化光效5蓝光LED1.540 200 34001归一化光效1W级白光LED1.540 200 34001归一化光通量1W级白光LED40 200 34001电流有效值（

13、A）归一化耗电量1W级白光LED电流有效值（ A）电流有效值（ A）电流有效值（ A）电流有效值 （A ） 电流有效值 （A ）方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流方波稳流图 4a 图 5a 图 5c 图 5b 图 4b 电流相关色温色坐标 主波长峰值波长mA k (x,y) nm nm50 10010.6913,0.3085 619.9 630200 10010.6922,0.3076 620.4 630350 10010.6927,0.3071 620.6 63050 10010.6778,0.3220 614.1 620200 10010.6792,0.3206 614.7 6203

14、50 10010.6807,0.3191 615.2 62050 16680.5796，0.4197 590.8 595200 15870.5870，0.4123 592.1 595350 15300.5925，0.4067 593.1 595100 71780.2119，0.7201 534.9 525200 74060.2014，0.7035 531.7 520350 76840.1884，0.6905 527.9 520500.1334，0.0590 468.5 4652000.1387，0.0489 465.7 4603500.1406，0.0458 464.7 46050 7585

15、0.3003，0.3059 480 455200 7515 0.3003，0.3097 481.8 455350 7741 0.2974，0.3090 482.4 455白1.1最大主波长差2.30.73.872.4主波长变化趋势橙红光色蓝绿黄506/156最大色温差00/138本实验和实验一有些差别，实验一中，LED 的固定有效值取值为5LED 的额定值（20mA ），因此，具有占空比的方波若达到这个有效值，其方波电流必定高于有效值，瞬间会产生更大的热量，由此使得 LED 的劣化明显呈现出来。在实验二中，LED 的电流是在额定值以下，因此，某些劣化现象不如实验一中明显。 实验三 考察频率变化

16、对发光的影响 对5 红光用方波供电，固定占空比，调节方波频率，考察光通量变化状况，具体测试数据见下表。 方波 频率 占空比 光通量kHz % lm 0.0625 0.8 0.5152 1.92 0.8 0.5152 7.14 0.8 0.4906 217.4 0.8 0.6610 从上表可见，当电流频率在非常大的范围变化时，光通量变化很小。 结论，不能采用调节流过 LED 的脉冲电流的频率的方法来调光。 实验四 考察电流变化对 LED 色度参数的的影响 取红、橙、黄、绿、蓝、白光 1W 级 LED，测试在不同的恒稳电流下的光度参数。 实测光度数据如表 6。 表 6. 各光色 LED 在不同电流

17、下的色度数据 实测数据分析 （1 ）从表 6 的实测数据看，绿光 LED 的色度数据在不同电流下有大的差异。 （2 ）从主波长来看，红、橙、黄、蓝、白光 LED 在不同电流下的差异不是很大。蓝光 LED 的主波长差异相对大些，但是否会对视觉感受有明显影响？后面实验四会谈到。 （3 ）从相关色温的变化来看，蓝光的色温已超出测试仪器测试范围，不予考虑。红、橙、黄光 LED 由于主波长的差异很小，其色彩变化已不为一般人能够分辨，所以也不必考虑其相关色温的变化量。白光 LED的相关色温变化似乎比较大，但这个数值的变化量，也基本上不为一般人所能分辨。且这个差异数值远远小于封装厂的色温分档等级范围。 实验

18、五 考察各种色光的 LED 在不同电流时，人眼感受色调变化的敏感程度 取红、橙、黄、绿、蓝、白光 1W 级 LED，分别使之在 0 到 350mA 之间的电流变化下工作，用眼观察光色的变化差异程度。 实验结果： 红、橙、黄、蓝、白光 LED，电流在 0350mA 之间变化时，基本感受不到色调的变化。 绿光 LED 的电流变化稍大时，就可比较明显感受到色调发生改变。不过，这种感觉到的变化，是要在比较块的地调整电流或另有一个同样的绿光不变电流做为参照时才能明显感受到。在 160mA 到 350mA 之间的变化，调整完毕后，一般人也不宜察觉色调的变化。 四、LED 照明，对 LED 供电电流方式的选

19、择 通过前面的各种实验结果，我们可以针对不同的照明需求，来选择适合的 LED 驱动方式。 通常情况下，以恒稳电流为 LED 供电和变电流大小来调光的方式比较好。 LED 的光效要高，电流的脉动成份就要少。 有下列状况的照明时，应该采用脉宽调制的方式来驱动 LED： a. 单纯的绿光 LED，需要调光时。 b. 有不同色光的 LED 在一起需变色混光时。 当然，对于上述状况，对色彩变化要求不是太高的场合，也可以用模拟电流调光。 五、结论 1. LED 用做照明，无论用什么电流方式，好坏对比的前提条件是：照明的效果不变，以及更节省电能。 2. 对于 LED 光通量不改变的照明场合，LED 的电流以纹波尽可能小的恒稳电流供电为好。 3. 对于单色 LED 可变光通量照明时，除绿光 LED 外，都以采用恒稳电流供电和模拟电流调光为好。 4. 对于色调稍微变化而不介意的绿光照明，也可采用恒稳电流供电和模拟电流调光。