LED照明的节能控制技术

邓隐北，陈 伟

(1.河南森源电气股份有限公司，长葛461500;

2.中国水利水电第十一工程局有限公司第二分局，郑州450001)

0 引言

人们对白色发光二极管(LED)用于一般照明一直寄予很大的期望。这进一步推动了LED取代目前作为一般照明用的荧光灯，加之LED元件效率的提高，LED照明调光控制的电源节能，因而力求实现高效率化和小型化。

东芝照明技术公司(TLT)为了解决这一课题，以满足LED照明设备在性能上、功能上的要求，如低功耗、高效率、结构紧凑等，对LED照明电源进行了开发，采用了使电源高效率化的降压—升压(buck—boost)型变换器，用于控制LED的电流。在调光控制中，按其用途又分为振幅控制与脉宽调制(PWM)，在亮度改变但色温不易变化的PWM中，采用比摄像机摄像频率高得多的频率照明，由此，在图像中出现的闪烁可得到抑制。

TLT公司还致力于开发利用自然能源的LED照明设备，例如，由太阳能的光伏发电、风力发电与蓄电池一起组成的风光互补照明系统。

白色LED作为21世纪的新光源，今后的发展空间很大。现在，作为一般照明而广泛应用的荧光灯具，为促进其更新换代，要求LED灯比目前的照明灯具具有相同的或更高的功能与性能，对节能的期盼更大。此外，今天的照明灯具必备的调光控制功能，以及在LED照明中有效发挥LED特点的一些功能，当然，都是不可缺少的。

TLT公司为适应这一重要需求，进行了LED照明用电源与调光控制技术的开发，笔者对综合LED特性的照明电源及调光控制技术，还对有关近年来推广普及的自然能源用于LED照明的离网型电源系统依次予以介绍。

1 LED照明用电源

在考虑LED的调光控制时，充分掌握LED的特性很重要。其主要特点如下:(1)元件单体是由低电压的直流操作的;(2)在由多数元件模块化的场合下，选取电压与电流的自由度大;(3)电压-电流特性为指数函数特性曲线，并具有在不同温度下的特性曲线;(4)元件的操作电压会出现波动度。

LED的正向电压(Vf)与正向电流(If)关系曲线，是与温度有关，按照指数函数而变化的特性曲线(图1)。由于制造上的误差，也包括元件在内的差别，故对于电源电路，必须具有保持稳定工作点的电流控制功能。

图1 与温度有关的Vf-If特性曲线

图2所示，为电流控制功能与提高电路效率的降压型变换器组合在一起的电路结构。为保持流过LED的电流恒定，将If通过PWM集成电路反馈后，用来控制开关元件的占空比(duty)，也即控制一个周期内接通与断开的比例。

按日本工业标准JIS C 61000-3-2的规定，为了抑制输入电流中的高次谐波，与放电灯的情况相同，在恒电流回路的前段插入了升压的斩波电路。

图2 利用降压型变换器电路的LED照明

2 调光控制

LED的调光方式有振幅控制和脉宽调制两种方式。在振幅控制中，是通过对LED直流电流值的控制来调节亮度;而在脉宽调制中，是在一定的频率下对LED的电流通/断，藉控制其接通时间的比率来调节亮度。脉宽调制的优点是虽亮度变化但色温不易改变;缺点是因产生闪烁，不适合于一般照明的调光(图(3)。下面，对各自的控制方法予以说明。

图3 色温与调光控制方式

2.1 振幅控制

振幅控制是针对一般照明的调光控制方式。因脉宽调制有时不适合与照度传感器的组合(照度传感器用于控制亮度的恒定)。振幅控制方式下的调光手段大致分为两种:与电源分开，输入外部调光信号的形式(4线式);输入相位控制的电源波形的形式(2线式)。每种形式必须具备其独自的电路技术。

2.1.1 4线式

这是对一般照明广泛普及的荧光灯用调光器采用的形式，也是对LED向下照明(down light)和基本照明(base light)控制所采用的方式。电路结构示于图4。

图4 4线式的振幅控制调光

对应于来自调光器的调光信号，通过对LED电流目标值的改变，以调节亮度。但存在的问题是:当调光下限值接近0进行深调光时，电流值难于检测。在图5所示的LED的Vf-If特性上，由虚线包围的低电流区域没有电流的反馈，只有藉LED电压反馈来控制亮度。通过这一电流和电压反馈的平稳转换，才可能由振幅控制方式进行深度的调光。

2.1.2 2线式

这是能用于白炽灯泡调光器的形式。也是在对LED灯的控制中使用的方式。白炽灯泡用调光器的典型电路结构示于图6。从白炽灯泡调光器输入的电压波形示于图7。在工频电源与灯之间，插入开关元件的双向晶闸管。藉调光旋钮或滑动键，设定控制回路内的定时值，由此，改变双向开关元件接通的定时。与图7所示的电源波形对应，利用集成电路IC控制LED的电流值。因电源电压小，电源的供给困难，故以电源电压平均值小、LED的电流也小的方式进行控制。在电源电压完全为零之前就关灯。

图5 低电流区的LED Vf-If特性

图6 2线式藉振幅控制调光

图7 输入的电压波形与灯泡的亮度

为了与白炽灯泡用调光器组合，除电流控制以外，还要下一番功夫。由电子电路构成的LED灯泡(图8)，不仅比白炽灯泡的输入电流小，而且有不流过输入电流的时间，故调光器控制电路的操作与白炽灯的场合有很大差别。LED灯泡的输入电流在未流通期间，仍有微小的电流存在，故在LED点灯回路内的端子间设一虚拟阻抗。因输入电流流通期间不需要这一虚拟阻抗，故通过集成电路控制阻抗的接通与否，因而降低其功率损耗。

图8 调光用LED灯泡(断面)

2.2 脉宽调制(PWM)

PWM的波形示于图9，与来自外部的调光信号同步，进行着LED电流的通/断操作。PWM方式具有亮度变化但色温难以改变的这一优点，也有点灯频率低产生闪烁的这一缺点。此外，摄像机操作中也产生闪烁，为了抑制这种闪烁现象，考虑采用摄像机的摄像频率与点灯频率同期的方法。但在电视演播厅那样的环境下，摄像机和照明灯具很多，难于采用同期方法。因此，用比摄像频率高得多的频率，对这种情况下的PWM方法进行了研讨。在电视演播厅所摄影的图像中，抑制闪烁的效果已得到确认。

图9 脉宽调制中的调光信号与LED电流

3 自然能源的照明系统

利用太阳电池模块与风力发电机组合(风光互补)的自然能源照明系统，这是由蓄电池，控制蓄电池充/放电的充电控制器，控制螺旋式风轮叶片及其旋转的风电控制器，以及LED照明灯具等组成的。

太阳电池模块与风力发电机、蓄电池等组合而成的LED照明系统，与使用工频电源(市电)的街灯、路灯相比，不仅勿需敷设电线及开关、配电等设备，而且不消耗电网的电力，减少CO2的排放。通过发电容量与蓄电池容量的有效组合，即使在阴天和雨天，5天内仍能保持夜间7～14 h的点灯时间。

在太阳电池模块与蓄电池组合的系统中，一般使用铅酸蓄电池。因LED照明灯具能长时期使用，而铅酸蓄电池有维护期间短这一缺点，因此，利用锂离子电池的普及是方向，但要考虑使其低成本化。对蓄电池类型的选用正在进行探讨。此外，开发更高效率的LED照明灯具，对有关抑制蓄电池容量而提高性能方面也进行了研讨。

4 小结

为了促进从原来光源向LED照明的更换，在抑制成本的同时，提高系统的效率很重要。一方面提高LED的效率，另一方面还要优化电源电路的效率。今后，不仅是单体的照明灯具，作为照明系统，还要致力于进一步实现节能减排。

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

［2］清水惠一.LED照明用电源