LED台灯的方案设计指南

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED台灯产品的应用是多学科的融合，其性能受很多因素影响，比如LED的性能和参数、工业造型设计、光学设计、热设计、电路设计、结构设计、加工工艺、生产工艺等。与荧光灯相比，LED台灯的显色指数高，通常在80左右。

LED台灯产品的应用是多学科的融合，其性能受很多因素影响，比如LED的性能和参数、工业造型设计、光学设计、热设计、电路设计、结构设计、加工工艺、生产工艺等。而LED是典型的绿色照明光源，作为国家绿色照明推广使用的产品，用白光LED作为LED台灯光源是必然选择。其特点如下：

1）效率高。LED的发光效率已超过100lm/W，由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以其发光效率远远大于白炽灯，正在赶上节能灯和荧光灯。

2）光线质量高。由于光谱中没有紫外线（uV）和红外线（IR），故没有热量，没有辐射，不会给人眼带来负担，长时间阅读或工作不会有眼睛发疼、发胀的现象。

3）显色性好。与荧光灯相比，LED台灯的显色指数高，通常在80左右。

4）维护成本低、寿命长。光通量半衰期寿命超过5万h以上，一般可正常使用30年以上。抗冲击和抗振能力强，没有钨丝、玻壳等易损坏的部件，非正常“报废”的可能性很小。

5）体积小。灯具小巧精致，更适合于不同的使用场所。

6）与蓄电池配合易把台灯做成应急灯。

7）绿色环保。废弃物可回收，没有污染。

当在考虑设计与制作LED台灯时，需要考虑诸多因素，如：

1.LED电源的选用和要求

LED驱动方式有多种，在台灯产品中常采用低压恒流驱动，这是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起的电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。采用交流电驱动的光源一般具有频闪效应，容易使视觉神经因受到不断变化的光强刺激而疲劳，采用恒流驱动的LED发出稳定的光线，完全无频闪现象，使人感到十分舒适。台灯为安全低电压输入，避免了普通灯具因电路故障而带来的安全隐患。

2.灯具高效能的光学系统

一个优秀的灯具要有高效能的光学系统，而高效能的光反射器是最有技术含量的部件之一。它具有高度的反射性、良好的控光角度和反射光线的均匀度。反射器经过阳极氧化处理后反射效率高、耐久性好；用透光率高的混光材料做灯罩，既保持了光学系统的高效率，又减少了眩光。

在选购台灯作为学习、工作照明用具时，应特别注意灯具的眩光问题，不要让光线直接投射于眼睛。因为光线直接投射于眼睛时，眼睛会有畏光感而容易疲倦，且瞳孔缩小而感觉周围变暗，进而导致视线不清。用眼卫生，首先应从高质量的照明开始。

3.散热系统

散热是影响LED台灯使用的主要因素，应对LED封装和二次散热进行充分设计，采用中空带翅金属散热体和金属材质的灯罩散热，降低LED光源的热阻。

4.整体结构的造型设计

优秀的灯具不仅要有高品质的LED、高品质的电器组件、高效能的反射器及合理的结构，还要有好的产品造型设计。在LED台灯产品设计时就要充分利用LED的特点和优势，在满足实用需求和最大限度地发挥光源功效的前提下，对灯具进行小型化设计，使灯具造型美观、舒服、耐用，与环境相协调。

5.LED照明灯具的调光方式

脉冲宽度调制调光法和晶闸管相控（斩波法）调光法是传统灯具的调光方式，这里也简单地进行介绍，目的是让读者对传统灯具调光方式有了一定的了解之后，加深对LED调光方式的理解，同时也可以对比两者的不同之处。

（1）脉冲宽度调制（PWM）调光法

脉冲宽度调制调光法是利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，而实现灯输出功率调节的。半桥逆变器的最大占空比为0.5，确保半桥逆变器中的两个功率开关管之间有一个死时间，以避免两个功率开关管由于共态导通而损坏。

脉冲宽度调制调光法能使功率开关管导通时工作在零电压开关（ZVS）状态，关断瞬间需采用吸收电容，以达到ZCS工作条件，这样即可进入ZVS工作方式，同时使EMI和功率开关管的电应力明显降低。然而，如果脉冲占空比太小，以致电感电流不连续，则将失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使功率开关管上的电应力加大，所以不连续电流导通状态将导致电子式镇流器的工作可靠性降低并加大EMI辐射。

除了小的脉冲占空比外，当电路发生故障时，也会出现功率开关管的不连续电流工作状态。当负载出现开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于谐振电容的容量较小，所以阻抗较大，而在该谐振电容上产生较高的电压。除非两个功率开关管有吸收保护电路，否则功率开关管将承受很大的电压应力。

（2）晶闸管相控调光法

图8-1 晶闸管相控前沿触发的调光工作波形原理

由于晶闸管相控（斩波法）调光法具有体积小、价格合理和调光功率控制范围宽的优点，所以它是目前使用最为广泛的调光方法，可以将荧光灯的光输出在50%～100%的范围内调节。但是在荧光灯的电感镇流应用场合，需用到一只“启动器”。而荧光灯电感镇流电路在供电电压较低的应用场合下会产生荧光灯启动困难的问题，这限制了荧光灯晶闸管相控调光的调光范围。晶闸管相控前沿触发的调光工作波形原理，如图8-1所示。

应用晶闸管相控工作原理，通过控制晶闸管的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，以降低输出电压的平均值，控制灯电路供电电压，从而实现调光。晶闸管相控调光对照明系统的电压调节速度快，调光精度高，调光参数可以分时段实时调整。由于调光电路主要由电子元器件组成，故相对来说体积小、设备质量轻、成本低。但是晶闸管相控调光工作在斩波方式，无法实现电压正弦波输出，因此出现大量谐波，形成对电网系统的谐波污染，危害极大，不能用于有电容补偿的电路中。

晶闸管相控调光采用相位控制的方法实现调光。对普通反向阻断型的晶闸管，其闸流特性表现为当晶闸管加上正向阳极电压，又加上适当的正向栅极控制电压时，晶闸管导通；这一导通即使在撤去栅极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或晶闸管阳极电流小于晶闸管自身的维持电流后才会关断。

从图8-1所示的晶闸管相控前沿触发的调光工作波形原理图上可以看出，在正弦交流电过零后的某一时刻t₁（或某一相位耐wt₁），在晶闸管的栅极上加一正触发脉冲，使晶闸管触发导通，根据晶闸管的开关特性，这一导通将维持到正弦波的正半周结束。所以在正弦波的正半周（即0～π区间），0～wt₁范围内晶闸管不导通，叫做晶闸管的控制角，常用α表示；而在wt₁～π的相位区间晶闸管导通（见图8-1中的斜线部分），称为晶闸管的导通角，常用φ表示。同样在正弦交流电的负半周，对处于反向连接的另一只晶闸管（相对于两个单向晶闸管的反向并联而言），在t₂时刻（即相位角wt₂）施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波的每一半周期控制其导通，获得相同的导通角。改变触发脉冲的触发时间（或相位），即改变晶闸管导通角φ（或控制角α）的大小。导通角越大，电路的输出电压越高，相应灯负载的发光越亮。可见，在晶闸管调光电路中，电路输出的电压波形已经不再是正弦波了，除非调光电路工作在全导通状态，即导通角为180°。

（3）LED的调光

LED的调光是利用一个DC信号或滤波PWM。对LED中的正向电流进行调节来完成的。减小LED电流将调节LED光输出强度，然而，正向电流的变化也会改变LED的色彩，因为LED的色度随着电流的变化而变化。许多应用（如汽车和LCD TV背光照明）都不允许LED发生色彩漂移。在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许在不改变色彩的情况下完成LED的调光。人们常说的真正彩色PWM调光是利用PWM信号来调节LED亮度的。调节LED亮度有三种常用方法：

① 使用SET电阻。在LED驱动控制IC引脚RSET两端并联不同的转换电阻，使用一个直流电压设置引脚RSET的电流，从而改变LED的正向工作电流，调节LED发光亮度。

② 采用PWM技术。利用PWM控制信号，通过控制LED的正向工作电流的占空比来调节LED的发光亮度。

③ 线性调节。最简便的方法是在LED驱动控制IC中使用外部SET电阻来实现LED的调光控制。这种调光控制方法很有效，但却缺乏灵活性，无法改变光强度。线性调节则降低效率，并引起白光LED朝黄色偏移。

可采用数字或PWM的LED调光控制法，以大于100Hz的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变LED驱动电流的脉冲占空比来实现LED的调光控制。选用大于100Hz开关调光控制频率的目的主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象。在LED的PWM调光控制下，LED的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比，在该控制方法下，可以在高调光比范围内保持LED的发光颜色不变。采用PWM的LED调光控制的调光比可达3000∶1。

线性LED调光控制方法采用模拟调光控制，在模拟调光控制下，通过调节LED的正向工作电流来实现LED的调光控制，其调光控制范围可达10∶1。如果进一步降低LED的正向工作电流，则会使LED的发光颜色发生变化，并不能准确控制LED的正向工作电流。

LED台灯的方案设计指南

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