模拟调光与数字调光

版权所有转载请注明出处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、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）版权所有转载请注明出处二、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Φ5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ΦD(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ΦP；（测电流取样电阻为0.1Ω。）(3)保持方波频率、占空比不变，调节输入电压当光通量等于ΦD时再读出有效电流值。（测电流取样电阻为0.1Ω。）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(mA)光通量Φ(lm)有效电流值IA(mA)光通量ΦA(lm)方波电流IAP(mA)有效电流值IB(mA)光通量ΦB(lm)方波电流IBP(mA)203.62580465.084230205.084参见图2a参见图2b方波电流有效值20mALED发光状况f=40KD=1/5直流20mA图2a.电流有效值相等时的状况版权所有转载请注明出处2、绿光LED直流电源供电方波供电正向电流IF(mA)光通量Φ(lm)有效电流值IA(mA)光通量ΦA(lm)方波电流IAP(mA)有效电流值IB(mA)光通量ΦB(lm)方波电流IBP(mA)201.390100602.227300202.227参见图3a参见图3b电流有效值20mALED发光状况直流20mAf=40KD=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60mALED发光状况f=40KD=1/5直流20mA方波方波电流有效值46mALED发光状况f=40KD=1/5直流20mA图2b.光通量相等时的状况方波版权所有转载请注明出处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Φ5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.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Φ(lm)有效电流值IA(mA)光通量ΦA(lm)方波电流IAP(mA)有效电流值IB(mA)光通量ΦB(lm)方波电流IBP(mA)蓝光200.6420200.4054100440.6420220红光202.212202.153100222.212110黄光201.991201.673100301.991160版权所有转载请注明出处实用意义不大。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22001归一化光效φ5绿光LED1.522001归一化光效φ5黄光LED1.522001φ5红光LED1.522001归一化光通量22001归一化光通量φ5黄光LED22001归一化光通量φ5绿光LED22001归一化耗电量φ5绿光LED22001归一化耗电量φ5黄光LED22001归一化耗电量φ5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）φ5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22001归一化耗电量φ5蓝光LED22001归一化光通量φ5蓝光LED22001归一化光效φ5蓝光LED1.54020034001归一化光效1W级白光LED1.54020034001归一化光通量1W级白光LED4020034001电流有效值（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版权所有转载请注明出处电流相关色温色坐标主波长峰值波长mAk(x,y)nmnm5010010.6913,0.3085619.963020010010.6922,0.3076620.463035010010.6927,0.3071620.66305010010.6778,0.3220614.162020010010.6792,0.3206614.762035010010.6807,0.3191615.26205016680.5796，0.4197590.859520015870.5870，0.4123592.159535015300.5925，0.4067593.159510071780.2119，0.7201534.952520074060.2014，0.7035531.752035076840.1884，0.6905527.9520500.1334，0.0590468.54652000.1387，0.0489465.74603500.1406，0.0458464.74605075850.3003，0.305948045520075150.3003，0.3097481.845535077410.2974，0.3090482.4455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φ5LED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对发光的影响对Φ5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%lm0.06250.80.51521.920.80.51527.140.80.4906217.40.80.6610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在不同电流下的色度数据版权所有转载请注明出处实测数据分析（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0～350mA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