引言

照明設(shè)計(jì)者首先需考慮發(fā)光強(qiáng)度（計(jì)量單位為坎德拉,，cd）或光通量,，還要考慮被照物或被照平面所得到的光照度（計(jì)量單位為勒克斯，lx）,。假如我們有一個(gè)10W的LED臺(tái)燈,，發(fā)出來的總光通量是600lm,若這600lm全部集中在1m2的桌面，那桌面的照度就是600lx,。

不同的照明位置和不同的公共場(chǎng)所,，有不同的照明需求標(biāo)準(zhǔn),。例如，在商店照明中,，明亮的食物可刺激食欲,；珠寶、鐘表,、衣飾等有明亮的照度可刺激購買欲,；彩印、畫廊,、博物館,、診療室等都要有1000lx的照度。辦公室,、教室,、工廠、生產(chǎn)線等的照明則要求300~800lx,。車站,、機(jī)場(chǎng)、大樓大廳,、走廊等非工作場(chǎng)合有100~300lx即可,。而在公園、停車場(chǎng),、街道則可低到10~50lx,。按照實(shí)際需求，采用不同光源,。好的照明設(shè)計(jì)不僅節(jié)能省電,，而且也符合環(huán)保要求。

1 調(diào)光的作用和意義

燈光是人工照明,，為夜晚或自然光不足的場(chǎng)合提供足夠的照度,。但燈光消耗電力，在不需要時(shí)關(guān)掉燈光可節(jié)約能源,。不過在有些時(shí)段和情況下,，如果可把燈光調(diào)到較暗的程度（25%~50%），也是可以顯著降低能源消耗的（-50%~-75%）,。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),，全國(guó)的照明負(fù)載約占總用電量的20%,亦即照明將消耗發(fā)電系統(tǒng)約20%的功率。帶可調(diào)光的照明產(chǎn)品比不帶調(diào)光功能的照明產(chǎn)品更節(jié)能,，實(shí)現(xiàn)照度和光通量的調(diào)節(jié)就是調(diào)光器的作用,。因此，在照明設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮調(diào)光的作用,，就完全可以達(dá)到大幅度節(jié)能的目的,。

2 現(xiàn)有的調(diào)光方式

2.1 電阻式調(diào)光

過去，曾采用最原始的電阻式調(diào)光,，如圖1所示,，在照明電路中由一個(gè)可變電阻進(jìn)行調(diào)光。應(yīng)用非常簡(jiǎn)單,，也不會(huì)產(chǎn)生干擾,，但其分壓原理是讓電能不完全用在燈具（電器）上，沒有效率可言,。調(diào)暗燈光時(shí),，調(diào)光電阻因分壓過多而產(chǎn)生大量的熱能,，造成能源的浪費(fèi)和環(huán)境的劣化,。故取而代之的是可控硅調(diào)光方式。

圖1 電阻式調(diào)光

2.2 可控硅調(diào)光

如圖2所示,，可控硅調(diào)控技術(shù)的基本原理是：利用RC移相來延遲觸發(fā),，實(shí)現(xiàn)斬波，改變電壓的均方根值（有效值為Vrms）,。同時(shí),，利用雙向可控硅（DIAC）導(dǎo)通電壓的對(duì)稱性，達(dá)到可控硅（TRIAC）的對(duì)稱觸發(fā),。故改變電阻值就可得到不同的導(dǎo)通角,，應(yīng)用切相原理，減少Vrms,以降低普通負(fù)載（電阻負(fù)載）的功率,。

圖2 改變電阻值可得到不同的導(dǎo)通角

因此效率較高,，性能也穩(wěn)定。圖3為可控硅調(diào)光器的工作原理圖,。

圖3 可控硅調(diào)光的工作原理圖

可控硅技術(shù)在工作中的特性（I-V特性）如圖4所示,。根據(jù)I-V特性可知：TRIAC在導(dǎo)通后，需要維持最小電流（維系電流Ihold）來保持導(dǎo)通,，否則會(huì)恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài),；不同的TRIAC會(huì)有不同的Ihold值，通常在幾毫安到幾十毫安之間,，有的甚至到50mA才能穩(wěn)定導(dǎo)通?，F(xiàn)在市場(chǎng)上能買到的不同牌號(hào)、不同種類的調(diào)光器,，100W,200W,600W~1000W,功率越大就越需要大的維系電流,。如果沒有足夠的Ihold來保證TRIAC穩(wěn)定的導(dǎo)通角，那么輸出的波形就會(huì)不均勻，產(chǎn)生額外的顫動(dòng)和尖峰,，影響輸出的Vrms,。

圖4 可控硅技術(shù)在工作中的特性（I-V特性）

2.3 LED照明常見的調(diào)光方法

LED照明調(diào)光通常有三種方法：

（1）線性調(diào)光；

（2）脈沖寬度（PWM）調(diào)光,；

（3）可控硅調(diào)光,。

其中，線性調(diào)光如圖5所示,。調(diào)節(jié)電流感應(yīng)電壓閾值,，就可調(diào)節(jié)流過LED電流的大小。圖5中SSD1075的電流感應(yīng)電壓閾值是1.2V,我們?cè)谄銵D腳上輸入0~1.2V的直流電壓,，以實(shí)現(xiàn)LED電流的線性調(diào)節(jié),。實(shí)測(cè)SSD1075的調(diào)光曲線，可以看出從0~1.2V輸入到LD時(shí),，LED電流呈線性調(diào)節(jié),。線性調(diào)光的缺點(diǎn)是需要額外的直流電壓源。而且由于電流感應(yīng)電壓閾值一般會(huì)設(shè)置得較低,，其抗干擾能力較差,，會(huì)產(chǎn)生閃爍。

圖5 線性調(diào)光

脈寬PWM調(diào)光如圖6所示,。通過改變PWM輸入脈沖信號(hào)的占空比來調(diào)制LED驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極控制信號(hào),，就可調(diào)節(jié)通過LED電流的大小。實(shí)測(cè)SSD1075的調(diào)光曲線可知,，占空比從0~100%變化時(shí),，LED電流呈線性調(diào)節(jié)。此法的缺點(diǎn)是需要額外的PWM信號(hào)源,，且脈寬調(diào)制信號(hào)頻率與LED驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率FET的柵極控制信號(hào)頻率越接近,，其線性就越差。

圖6 脈沖寬度PWM調(diào)光

線性調(diào)光和PWM調(diào)光在家用及商業(yè)應(yīng)用上的最大問題,，不是增加負(fù)載分壓電路或產(chǎn)生控制脈沖信號(hào)的麻煩,，而是因?yàn)檫@兩種方法都需要控制線路。而在傳統(tǒng)的燈具上,，只具備兩個(gè)電觸點(diǎn),。如需加控制線，就無法做到替換性改造了,，所以LED燈具一定需要兼容現(xiàn)有的SCR調(diào)光控制技術(shù),。

可控硅調(diào)控就是在芯片里或者應(yīng)用電路上，在切相電源中提取導(dǎo)通角信息,，并根據(jù)該信號(hào)控制來調(diào)控LED的驅(qū)動(dòng)電流,，以達(dá)到調(diào)光的效果。

根據(jù)SSD1075的可控硅調(diào)光曲線，可看出LED電流與可控硅調(diào)光呈線性調(diào)節(jié),，如圖7所示,。

圖7 可控硅調(diào)光原理圖及調(diào)光曲線

3 可控硅調(diào)光在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及其解決方法

3.1 可控硅調(diào)光會(huì)出現(xiàn)100Hz的頻閃

如圖8所示，電網(wǎng)的工頻為50Hz,切相波形整流后就可得到100Hz的脈沖信號(hào),，因而可直接用來產(chǎn)生調(diào)光的PWM信號(hào),。但在實(shí)際應(yīng)用中，只要有任何輕微的電壓波動(dòng)或電流的變動(dòng),，都會(huì)影響脈沖的占空比,，這樣就相當(dāng)于一個(gè)100Hz的閃爍。因此,，不能直接把切相波形用來調(diào)光,，需要把調(diào)制信號(hào)頻移至更高的頻段，使人眼察覺不出閃爍現(xiàn)象,。具體實(shí)施是通過SSD1075把調(diào)光信號(hào)調(diào)至更高的頻段,，如圖8所示。

圖8 100Hz的頻閃及其解決方法

3.2 可控硅調(diào)光的負(fù)載問題

可控硅調(diào)光器要穩(wěn)定工作,，就需要有穩(wěn)定的Ihold來保障調(diào)光器工作,。而大部分的LED電源都是非線性開關(guān)電源,，加上現(xiàn)在的LED很節(jié)能,，整燈功率不高，故TRIAC的工作狀態(tài)不穩(wěn)定,。由于可控硅的導(dǎo)通需要一定的電流,，而LED負(fù)載不是線性的，其所需的輸入電流是變化的,，故可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)和觸發(fā)電壓也會(huì)像圖9那樣,，隨之發(fā)生變化。解決方法是在SCR信號(hào)輸入端之前,，加入虛擬負(fù)載,，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的10~30mA負(fù)載給TRAIC。從圖10可見,，SCR的波形有了明顯的改善,。

圖9 可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)和觸發(fā)電壓的變化

圖10 加入虛擬負(fù)載明顯改善波形

3.3 可控硅調(diào)光的負(fù)載過熱問題

如上所述，加入虛擬負(fù)載以后,，按10~30mA計(jì)算,，其功耗則為P=2500.01~2500.03=2.5W~7.5W,可以設(shè)想一個(gè)7.5W的虛擬負(fù)載如放在一個(gè)E27球泡燈內(nèi)是斷不可行的，況且效率也很低,，因此,，一定要讓虛擬負(fù)載電流達(dá)到盡可能的小（I10mA）。此外,，還要能夠準(zhǔn)確地解析出導(dǎo)通角信號(hào),，因而需要應(yīng)用信號(hào)濾波技術(shù)，把截取進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行整形濾波,，以便提高調(diào)光信號(hào)的可用性,。

3.4 可控硅調(diào)光器的缺點(diǎn)

硅控調(diào)光器會(huì)成為未來LED照明的主流調(diào)光方式嗎？答案是相當(dāng)不樂觀的,。硅控調(diào)光器的主要缺點(diǎn)如下,。

（1）功率因數(shù)劣化

這一調(diào)光方式的原理是：通過其主要構(gòu)成組件的硅控管，用來截取交流電壓部分導(dǎo)通角度,，以改變燈具的輸入功率,。但導(dǎo)通角愈短，功率因數(shù)就愈差,。調(diào)到1/4亮度時(shí),，功率因數(shù)將低于0.25。

（2）效率下降

因?yàn)樵谡{(diào)暗時(shí),，負(fù)載不足,，會(huì)造成硅控管提早關(guān)閉，使其用來改變硅控管導(dǎo)通角度的可調(diào)電阻與導(dǎo)通角度的錯(cuò)亂,，進(jìn)一步導(dǎo)致LED燈操作無法穩(wěn)定和閃爍不定的問題,。為此，通常藉加裝泄流電阻（bleederordummyload）來解決,。這樣,，用bleeder來消耗功率以保持硅控管的正常操作，就違背了原先調(diào)光節(jié)能的初衷,。

（3）難于匹配

要開發(fā)一種與市面上數(shù)十廠牌硅控調(diào)光器都保證兼容的可調(diào)光LED燈具是相當(dāng)困難的,。有關(guān)匹配問題可參閱NxpApplicatiONNoteAn10754。

（4）高安裝成本和有限的應(yīng)用市場(chǎng)

鑒于上述原因,，LED照明業(yè)者若能開創(chuàng)出一種接近零成本,、不需要改變接線、不需要昂貴的遙控調(diào)光器,，又能維持高效率與高功率因數(shù),，能便于推廣普及的調(diào)光方式，這對(duì)LED照明實(shí)現(xiàn)節(jié)能和開拓廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)都是非常重要的,。

4 LED照明調(diào)光用的理想驅(qū)動(dòng)IC

對(duì)照明這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),，最可行的標(biāo)準(zhǔn)就是原來的標(biāo)準(zhǔn)；最容易的方案就是不需改變現(xiàn)狀,。迄今為止,，比較成功的LED照明產(chǎn)品,，都是造型和使用方式與傳統(tǒng)的燈泡和燈管很相似。因而可以推測(cè),，最可行的調(diào)光方式,，就是不制定新標(biāo)準(zhǔn)，不改變現(xiàn)狀,，不需要改變接線,，不增加任何調(diào)光裝置就能達(dá)到調(diào)光功能的一種方案。

EZDimming就是按照四段調(diào)光的基本概念,，把調(diào)光功能內(nèi)建（BuiltIn）在LED驅(qū)動(dòng)集成電路之內(nèi)的理想調(diào)光方式,。沒有任何其他外接零件的需要，同時(shí)在各段調(diào)光準(zhǔn)位時(shí),，都能維持高效率和高功率因數(shù),。圖11為L(zhǎng)ED照明調(diào)光用的驅(qū)動(dòng)IC。

圖11 高功因、高效率,， 具有調(diào)光功能的驅(qū)動(dòng)集成電路

EZDimming偵測(cè)wallswitch切換次數(shù),，來改變調(diào)光準(zhǔn)位。自全亮開始循序降到六分亮,、四分亮,、二分亮。并且在任何調(diào)光階段,，都能維持高于0.90的功率因數(shù),，高于80%的效率。切換柔和平穩(wěn),，完全沒有浪涌電流或噪音的不良現(xiàn)象。線路精簡(jiǎn),，幾乎是零增加硬件成本,。與其他現(xiàn)有的各式調(diào)光方案對(duì)比，EZDimming不只是賦有超越性的功能優(yōu)勢(shì),，而且不需要改變接線或任何硬件,，裝置成本最低。只要將傳統(tǒng)的燈泡,、日光燈管或者節(jié)能燈泡拆卸下來,，再裝上配有EZDimming的LED燈，立即可以將一個(gè)原先毫無調(diào)光功能的照明器具或系統(tǒng),，改成一個(gè)具有調(diào)光功能,、既節(jié)能又環(huán)保的照明系統(tǒng),。