LED照明的節能控制技術

鄧隱北，陳 偉

(1.河南森源電氣股份有限公司，長葛461500;

2.中國水利水電第十一工程局有限公司第二分局，鄭州450001)

0 引言

人們對白色發光二極管(LED)用于一般照明一直寄予很大的期望。這進一步推動了LED取代目前作為一般照明用的熒光燈，加之LED元件效率的提高，LED照明調光控制的電源節能，因而力求實現高效率化和小型化。

東芝照明技術公司(TLT)為了解決這一課題，以滿足LED照明設備在性能上、功能上的要求，如低功耗、高效率、結構緊湊等，對LED照明電源進行了開發，采用了使電源高效率化的降壓—升壓(buck—boost)型變換器，用于控制LED的電流。在調光控制中，按其用途又分為振幅控制與脈寬調制(PWM)，在亮度改變但色溫不易變化的PWM中，采用比攝像機攝像頻率高得多的頻率照明，由此，在圖像中出現的閃爍可得到抑制。

TLT公司還致力于開發利用自然能源的LED照明設備，例如，由太陽能的光伏發電、風力發電與蓄電池一起組成的風光互補照明系統。

白色LED作為21世紀的新光源，今后的發展空間很大。現在，作為一般照明而廣泛應用的熒光燈具，為促進其更新換代，要求LED燈比目前的照明燈具具有相同的或更高的功能與性能，對節能的期盼更大。此外，今天的照明燈具必備的調光控制功能，以及在LED照明中有效發揮LED特點的一些功能，當然，都是不可缺少的。

TLT公司為適應這一重要需求，進行了LED照明用電源與調光控制技術的開發，筆者對綜合LED特性的照明電源及調光控制技術，還對有關近年來推廣普及的自然能源用于LED照明的離網型電源系統依次予以介紹。

1 LED照明用電源

在考慮LED的調光控制時，充分掌握LED的特性很重要。其主要特點如下:(1)元件單體是由低電壓的直流操作的;(2)在由多數元件模塊化的場合下，選取電壓與電流的自由度大;(3)電壓-電流特性為指數函數特性曲線，并具有在不同溫度下的特性曲線;(4)元件的操作電壓會出現波動度。

LED的正向電壓(Vf)與正向電流(If)關系曲線，是與溫度有關，按照指數函數而變化的特性曲線(圖1)。由于制造上的誤差，也包括元件在內的差別，故對于電源電路，必須具有保持穩定工作點的電流控制功能。

圖1 與溫度有關的Vf-If特性曲線

圖2所示，為電流控制功能與提高電路效率的降壓型變換器組合在一起的電路結構。為保持流過LED的電流恒定，將If通過PWM集成電路反饋后，用來控制開關元件的占空比(duty)，也即控制一個周期內接通與斷開的比例。

按日本工業標準JIS C 61000-3-2的規定，為了抑制輸入電流中的高次諧波，與放電燈的情況相同，在恒電流回路的前段插入了升壓的斬波電路。

圖2 利用降壓型變換器電路的LED照明

2 調光控制

LED的調光方式有振幅控制和脈寬調制兩種方式。在振幅控制中，是通過對LED直流電流值的控制來調節亮度;而在脈寬調制中，是在一定的頻率下對LED的電流通/斷，藉控制其接通時間的比率來調節亮度。脈寬調制的優點是雖亮度變化但色溫不易改變;缺點是因產生閃爍，不適合于一般照明的調光(圖(3)。下面，對各自的控制方法予以說明。

圖3 色溫與調光控制方式

2.1 振幅控制

振幅控制是針對一般照明的調光控制方式。因脈寬調制有時不適合與照度傳感器的組合(照度傳感器用于控制亮度的恒定)。振幅控制方式下的調光手段大致分為兩種:與電源分開，輸入外部調光信號的形式(4線式);輸入相位控制的電源波形的形式(2線式)。每種形式必須具備其獨自的電路技術。

2.1.1 4線式

這是對一般照明廣泛普及的熒光燈用調光器采用的形式，也是對LED向下照明(down light)和基本照明(base light)控制所采用的方式。電路結構示于圖4。

圖4 4線式的振幅控制調光

對應于來自調光器的調光信號，通過對LED電流目標值的改變，以調節亮度。但存在的問題是:當調光下限值接近0進行深調光時，電流值難于檢測。在圖5所示的LED的Vf-If特性上，由虛線包圍的低電流區域沒有電流的反饋，只有藉LED電壓反饋來控制亮度。通過這一電流和電壓反饋的平穩轉換，才可能由振幅控制方式進行深度的調光。

2.1.2 2線式

這是能用于白熾燈泡調光器的形式。也是在對LED燈的控制中使用的方式。白熾燈泡用調光器的典型電路結構示于圖6。從白熾燈泡調光器輸入的電壓波形示于圖7。在工頻電源與燈之間，插入開關元件的雙向晶閘管。藉調光旋鈕或滑動鍵，設定控制回路內的定時值，由此，改變雙向開關元件接通的定時。與圖7所示的電源波形對應，利用集成電路IC控制LED的電流值。因電源電壓小，電源的供給困難，故以電源電壓平均值小、LED的電流也小的方式進行控制。在電源電壓完全為零之前就關燈。

圖5 低電流區的LED Vf-If特性

圖6 2線式藉振幅控制調光

圖7 輸入的電壓波形與燈泡的亮度

為了與白熾燈泡用調光器組合，除電流控制以外，還要下一番功夫。由電子電路構成的LED燈泡(圖8)，不僅比白熾燈泡的輸入電流小，而且有不流過輸入電流的時間，故調光器控制電路的操作與白熾燈的場合有很大差別。LED燈泡的輸入電流在未流通期間，仍有微小的電流存在，故在LED點燈回路內的端子間設一虛擬阻抗。因輸入電流流通期間不需要這一虛擬阻抗，故通過集成電路控制阻抗的接通與否，因而降低其功率損耗。

圖8 調光用LED燈泡(斷面)

2.2 脈寬調制(PWM)

PWM的波形示于圖9，與來自外部的調光信號同步，進行著LED電流的通/斷操作。PWM方式具有亮度變化但色溫難以改變的這一優點，也有點燈頻率低產生閃爍的這一缺點。此外，攝像機操作中也產生閃爍，為了抑制這種閃爍現象，考慮采用攝像機的攝像頻率與點燈頻率同期的方法。但在電視演播廳那樣的環境下，攝像機和照明燈具很多，難于采用同期方法。因此，用比攝像頻率高得多的頻率，對這種情況下的PWM方法進行了研討。在電視演播廳所攝影的圖像中，抑制閃爍的效果已得到確認。

圖9 脈寬調制中的調光信號與LED電流

3 自然能源的照明系統

利用太陽電池模塊與風力發電機組合(風光互補)的自然能源照明系統，這是由蓄電池，控制蓄電池充/放電的充電控制器，控制螺旋式風輪葉片及其旋轉的風電控制器，以及LED照明燈具等組成的。

太陽電池模塊與風力發電機、蓄電池等組合而成的LED照明系統，與使用工頻電源(市電)的街燈、路燈相比，不僅勿需敷設電線及開關、配電等設備，而且不消耗電網的電力，減少CO2的排放。通過發電容量與蓄電池容量的有效組合，即使在陰天和雨天，5天內仍能保持夜間7～14 h的點燈時間。

在太陽電池模塊與蓄電池組合的系統中，一般使用鉛酸蓄電池。因LED照明燈具能長時期使用，而鉛酸蓄電池有維護期間短這一缺點，因此，利用鋰離子電池的普及是方向，但要考慮使其低成本化。對蓄電池類型的選用正在進行探討。此外，開發更高效率的LED照明燈具，對有關抑制蓄電池容量而提高性能方面也進行了研討。

4 小結

為了促進從原來光源向LED照明的更換，在抑制成本的同時，提高系統的效率很重要。一方面提高LED的效率，另一方面還要優化電源電路的效率。今后，不僅是單體的照明燈具，作為照明系統，還要致力于進一步實現節能減排。

［1］KAMATA Masahiko，TAKASAKA Keitaro，KATANO Chikako.LED Lighting control Technologies for Energy Conservation［J］.東芝評論，2010(7):16 ～19

［2］清水惠一.LED照明用電源