9.3.4  LED照明

近年来，LED（Light Emitting Diode）照明广泛应用。顾名思义，LED是半导体pn结形成的二极管，当施加正向电压时，两侧半导体中的多数载流子互相注入，耗尽层消失，导电性急剧增加，形成正向电流。半导体内被过度注入的正负载流子互相碰撞，以一定的概率再复合而释放能量。根据半导体的材料性质，其能量有时以热的形式，有时以光的形式释放出来，究竟哪种更多，则取决于具体材质^[14]。对于硅系列，基本上释放为热能，对于镓系列，则释放为光能的情况较多。再复合能量几乎接近pn结的接触电位差（energy band gap），根据接触电位差的不同而使发光的波长不同。例如，发红、橙、黄光的磷砷化镓（GaAsP）为2.1V左右，发白、蓝光的氮化镓为3.5V左右，因此，使LED发光需要数伏的电压。

点亮LED只需流入正向电流即可，因此，平稳的直流、脉动直流皆可点亮LED。二极管的正向特性与恒定电压的特性相近，流入平稳电流时一般因电阻特性而使得效率变低。像升压斩波电路或降压斩波电路等脉动电流源适合于LED的驱动，在此，以需要高技术的调光式LED球泡灯为例进行说明。

基于双向晶闸管调光方式的白炽灯等电气产品曾被广泛使用。现在白炽灯已基本停产，制造商基于该产品电路研发了LED球泡灯。图9.18所示为调光式LED球泡灯的电路图^[15]。为了分析的需要简化了电路。因为是小容量装置，所以SD使用了MOSFET，因为与控制电源的关系，所以它被设置在SDA-1的下臂。12个LED串联，端子电压为37V。电容C容量较小，所以不是用于平滑功能，而是用于吸收开关引起的浪涌电压电流。

其工作波形如图9.19所示，现将其技术要点介绍如下：

1）基于降压斩波电路SDA-1进行PFC控制^[16]。设置正弦波的幅值以控制脉动电流的峰值。特别是在正弦波的顶部要设置平顶的电流截止值。(https://www.daowen.com)

2）将T_off设为恒定值，脉动电流峰值较大时变成连续电流，电流的最小值随之上升。

图9.18 基于双向晶闸管的调光式LED球泡灯电路

图9.19所示为基于双向晶闸管的相位角滞后控制和无控制的电压波形。在仿真波形中，T_off=90μs，L=5mH，电流限制正弦波的幅值为1.0A，电流顶部的截止值为0.85A，商用电源为100V。无控制是指电源电压超过37V时方可启动。滞后控制是指开始工作时间滞后，使得流入LED的电流减少。通过调整限流值和T_off时间等即可实现调光。在图9.19中，无控制方式时的半周期平均电流值为0.33A，相位角滞后控制方式时则为0.22A。

图9.19 基于双向晶闸管控制电压的LED驱动电流波形（注意：波形的前半部分为控制时的波形，后半部分为无控制时的波形）