LED亮度调节原理

近年来Light-emitting diode（LED）被广泛用于照明行业，相较于其他光源，LED具有诸多优势：光效高、寿命长、色温变化小、动态响应快、体积小等。那么如何才能设计出合理的灯具呢，我来给大家罗列一下LED的主要特性。

一. 发光原理

当电流被注入到半导体的PN结时，原子中低能级的电子吸收能量从基态被激发到较高能级，这个能级我们称之为激发态。而激发态的寿命是短暂的，他十分容易回归到基态。在回归基态时激发态电子会释放出多余的能量，这些能量中有一部分以光子的形式传递了出去。这一过程称为能级跃迁。这里描述的是自发辐射的过程，有别于激光二极管的受激辐射。自发辐射产生的光子，光谱较宽，方向性较差，响应较慢，属于非相干光源。适用于低速光通信和普通的照明。

节能是各行各业不断努力的目标，“按需照明”需要根据环境的变化，人员的变化自动调节灯光的亮度，实现即不影响人的生产活动，又做到高效节能的目的。那么LED是怎么实现亮度调节的呢？

二.亮度调节

1.调节驱动电流

图一 电流光强图

图一是1w（额定电流为350mA）白光LED的驱动电流与发光强度对比图。可以看到，当电流为350mA时，光强为1倍，当175mA时，光强为0.5倍，在低于额定电流时基本保持线性。因此，通过调节电流的大小可以很好的控制LED的发光强度。

2.控制做功时间

在搬弄技术之前，先来提一个生理特征：当人看到一幅画面快速闪过时，这幅画面产生的视觉刺激会在大脑中停留几十到几百毫秒时间，亮度越亮，停留的时间越长。这一特征我们称为视觉残留
早在宋朝的时候，人们就已经利用这一生理现象发明了“走马灯”，到后来又出现了一帧一帧画出来的动画片，一格格播放的露天电影，都是利用了视觉残留这以特征。现在电影的标准是每秒播放24帧，也就是1秒钟只放24幅图片，而这在我们看来是非常连续，非常真实的。

a.直流DC

PWM（脉冲宽度调制）,这是一种应用非常广泛的调节方式，不仅可以用在亮度调节上，还用在逆变器，模型里的舵机，多轴飞行器里姿态控制都离不开PWM。

图二 PWM

如图二，如果我们要把一个20mA的LED灯的亮度调节到25%，我们可以把电流直接调到5mA，也可以让LED以20mA的电流亮25%的时间，灭75%的时间，如此循环，当这个循环足够的快，快到人眼便无法感到闪烁。这种调节工作时间（调节脉冲宽度）的方式就是PWM。
我们再套用公式来罗列一下上面的观点：
因为 W = P*t = U*I*t
所以 0.25W = U*(I*0.25)*t = U*I*(t*0.25)
（由于LED在调节电流的过程中，正向导通电压变化不大，为了简化计数我们假设电压是不变的）

b.交流AC

电网的电都是以交流的形式传输到终端设备，可控硅是一种可以被控制什么时候被导通的半导体器件，即控制导通角，它会在电流0位置时自动关闭。所以可以通过可控硅直接控制输入到设备的电能。下图中咖啡色的线就是电网电压，蓝色线为被可控50%切相后的波形。

图三 可控硅切相.jpg

c.各种调光方式的优缺点

真正的不闪式调光方式就是用通过调节电流来实现的。高频的电流脉冲可以使用小体积的电感就能轻而易举的滤成平顺的直流。所以好的护眼灯都应该是用这种方案的。

图四 电流与波长.png

再来说说电流调节的缺点吧，图一指出的电流与光强的关系并不是单纯的线性关系；而且更为微妙的是：图四中随着电流的减小，LED的光谱波长会变长，即红移（白光灯珠则表现为色温变暖）。虽然人对色温的偏差并不是太敏感，但是对色彩的差异还是非常敏感的，所以当需要精确控制亮度时（RGB混色）就比较麻烦了，需要通过算法来修正误差。

PWM调光的优点是系统简单，特别是需要做多路调光的时候。另外由于工作时的电流一直都是以额定电流工作，所以不存在调节电流的光强线性度与光谱偏移的问题。

切相调光是为了兼容白织灯时代所遗留的调光器。优点是，调光器存量市场巨大，特别是在美国。其实这种调光器一点都不适合LED灯具。白织灯因为是钨丝发热产生光，具有热惰性，钨丝不会应为电压被切掉而马上冷却停止发光。但是LED却是高动态的发光器件，要避免闪烁需要持续供电，为了在市电50/60Hz下不发生闪烁，需要在电路上做较多的处理，因此支持可控硅调光的LED灯的PF都做不高。