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PWM调光技术:如何优化LED色彩稳定度

2012-01-31 09:30
Timeless落尘
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  本文探讨提供发光二极体(LED)调光的方法,分析LED调光对其长期性能及所发射出光的色彩稳定性之影响,并特别探讨如何结合使用线性恒流稳流器(CCR)及数位电晶体来提供脉冲宽度调变(PWM)调光。

  PWM为改变LED光输出首要方法

  光要多少才足够?要求的发光量通常由所处环境与用途决定。就会议室而言,一般圆桌会议时的照明可能非常亮;但若使用投影系统来观看会议材料,会议室的光就可能会调暗很多;起居室的照明通常会被调节从而营造恰当的氛围;而汽车仪表板的背光则通常根据日间或夜间驾驶来自动调节。 

  光源已从非常易于调节的白炽灯转向要求以特殊电路提供不同光等级的萤光灯。LED是业界出现的最新一代光源,要求采用新的电子电路来改变光等级。改变LED光输出的方法有两种,第一种是减小流经LED的电流,而LED发射的光量与流经LED的电流成正比;第二种方法是为LED提供脉波电流,LED发射出的光与工作周期(Duty Cycle)成正比。 

  使用减小电流的方法进行LED调光类似于大多数白炽灯泡使用的调光方法。这种减小电流的方法在为数不多的应用中可以接受,但随着光等级降低,LED发出的光色彩也根据电流而变化。电流较小时,色度(Chromaticity)朝向黄色变化。图1显示不同电流时的典型色度变化。 

LED不同正向电流时的典型色度变化

图1 LED不同正向电流时的典型色度变化

  白炽灯泡的亮度能够藉减小电流的方法来调光至低于完整亮度的1%,因为白炽灯是藉由电流流过灯丝,使灯丝发热进而发光。但使用减小电流的方法,极难将LED亮度调至低于完整亮度的5%,因为所需的电压势会导致矽结点破裂并开始导电。LED是二极体,随着结点破裂,它就像是电子雪崩,电阻急速下降。要提供足够电压,使LED以极低电流导电非常困难。图2显示LED在不同正向电压(V)条件下的典型正向电流的曲线。 

LED在不同正向电压条件下的典型正向电流

图2 LED在不同正向电压条件下的典型正向电流

  为LED提供脉波电流的方法也称作PWM,这种方法已经成为改变光等级的首选方法。LED本身是矽元件,对应流经它们的电流导通及关闭而快速地导通和关闭。开关时间在100奈秒(ns)等级,相当于最大频率10MHz。应用通常以100Hz~100kHz的频率工作。频率低于100Hz时,人眼会观察到LED光闪烁。频率在500Hz~20kHz之间时,电路可能产生能听到的杂讯。调光是通过在单个开关周期的某部分时间内将LED导通;而在此开关周期的其余部分时间内,将LED关闭来实现。这种导通关闭周期称作工作周期(D),其表达方式为LED导通时间(TON)除以整个开关/导通周期时间(TS)(图3)。 

LED的开关周期示意图及工作周期计算公式

图3 LED的开关周期示意图及工作周期计算公式

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