深度解析：LED到底怎么调光？

深度解析：LED到底怎么调光？
调光经常用于酒店和剧院，用来营造气氛，创造亲密的感觉，愉悦食客和观众。对于会议室和报告大厅来说，调光还可以降低能耗和增强空间的功能。尽管调光得到大范围应用，但调光器配合传统光源使用时仍然存在一些问题，比如降低白炽灯的效能，损害荧光灯的寿命。
固态照明系统与技术联盟（ASSIST）组织者，照明研究中心（LRC）主管，Nadarajah Narendran说：当今安装的大部分调光系统都是相位控制器。它们较初是针对白炽灯设计的，通过切断每半个工频周期内的输入电流来减少光输出。调光的本质是相位控制器暂时的切断输入电压来减少向光源输入的功率。因为每一次切断输入电流都发生在交流正弦波中，它们也被称为切相调光器。


切相调光器每秒钟切断120次，或者切断次数等于交流电传递电力给输电线的频率。由于白炽灯的钨丝加热和冷却的速度比较慢，所以人眼看到的光源亮度是以恒定的水平下降的。切断的时间越长，灯越暗。


并不是所有相位控制器都从交流正弦波的同一方向切断。三端双向可控硅器件（TRIAC）用于白炽灯和卤素灯调光，它从正弦波的前相开始切断，在切断点位置，输入电压刚过零，输入电流刚反向。因此，它也被叫做前相控制调光器，前相控制调光器会在开始导通的时候产生电流尖峰，此尖峰电流会引起蜂鸣声和增加电子驱动器的压力。


反相控制调光器可以避免上述问题，因为它是从交流正弦波的后半部分或者说是后沿开始切断调光器。反相控制调光器在输入电流刚改变方向时导通，它允许电压逐渐升高，然后在下一个半周期内切断它。反相控制调光器也被叫做电子低压（ELV）调光器，用于提高使用电子变压器的卤素灯的性能。






图：三端双向可控硅器件（TRIAC）在前相位置切断向光源输入的功率，切断发生在输入电压刚过零与输入电流刚改变方向时。反相控制调光器（ELV）在交流正弦波的后沿切断。


LED怎么调光？


作为恒流源，LED天生就可以调光。Narendran 说：“流过LED灯珠的电流决定了光的输出”。它们的亮度可以很简单地通过控制贴在衬底上的半导体材料层的通电电流来调节。


在美国能源署（DOE）建筑技术办公室负责照明项目的经理詹姆斯.布罗德里克说：LED不像传统光源，调光并不会影响LED的效率和寿命。事实上，调光可以降低它们的工作温度，进而延长LED的寿命。


此外，LED的调光范围比紧凑型荧光灯和高强度放电灯更广。相比于紧凑型荧光灯10%~30%的调光剩余（数据来源于美国电气制造协会NEMA），高强度放电灯30%~60%的调光剩余（数据来源于美国照明产品信息工程NLPIP），LED的调光剩余能做到输出全载的1%以下。


任何LED器件，如果要做成替换光源或者LED灯具，都需要一个驱动器才能实现调光。因为LED都是低压直流源，LED需要电子驱动器把交流转换成可利用和可调节的直流电流。这些驱动器分为两种调光方式。在脉宽调制（PWM）方式中，通过LED的电流以很高的频率通断，“通常是每秒几千次”，Narendran 说。“通过LED的电流就等于LED开关周期内的电流平均值。”通过减少LED的通电时间可以降低平均电流或者有效电流，进而降低LED的亮度。


LED和传统光源一样，也可以通过以电流恒定降低（CCR）方式调光，或者叫做模拟调光。CCR保持光源有连续的电流，但是通过减小电流幅值来实现调光。“光输出正比于通过LED器件的电流，”Narendran 说。


PWM和CCR各有优缺点。PWM应用更广泛，调光范围也更广，可以做到光输出的1%以下，Narendran 说，且不管LED在额定电流、较大电流，还是零电流下工作，都可以避免色漂现象。因为PWM调光使用快速开关通断的方式，所以它需要更复杂更昂贵的电子驱动设备来产生足够高频率的电流脉冲来防止产生人眼可察觉的闪烁。


CCR调光方式更高效简单，因为它所需的驱动设备更简单更*。不像PWM，CCR不会产生由高频开关引起的电磁干扰EMI。此外，CCR允许驱动器放在离光源更远的地方，这对LED替换光源或对内部空间有限的紧凑型灯具很有利。但是，CCR不适合应用在调光要求10%以下的场合。“在非常低的电流情况下，LED无法正常工作，光输出也不稳定。”Narendran 说。


兼容性问题


尽管驱动器决定着LED产品是否能调光，但驱动器的性能表现主要取决于与调光器的兼容性，如相位控制调光器。如果要调光，驱动器的设计必须能匹配调光器的调光信号。


传统灯具的很多调光技术也能应用在LED上。包括0到10V模拟调光，DALI(数字可寻址照明接口)调光，DMX调光，和“其他从交流母线电压中分离调光信号的技术”，Brodrick表示。


对载有调光信息的调光器安装专线可以提高调光兼容性，因为专线使得调光器跟灯具之间仅有很少或者没有相互干扰。然而，这种调光系统更复杂更昂贵，这也是它们为什么常见于商业应用而非住宅应用的原因。


较常见的相位控制器是TRIAC调光器。NEMA估计在美国有1500万家庭安装这种调光器，由于白炽灯的禁用，这意味着大量旧的调光器等着LED灯具去替换白炽灯。不幸地是，LED与TRIAC的兼容性是个问题。


兼容性不好的原因之一就是白炽灯和LED供电方式存在差异。白炽灯通过简单的阻性负载从电网获得电力产生光，电流，电压和亮度之间的关系是线性和直接的，电压的变化与电流成正比。


LED与白炽灯不同。LED依靠驱动电路提供恒定的电流，并确保合适的功率和电压，他们与TRIAC的相互作用是不可预料的。例如，在低调光水平，恒流或恒压设计的LED驱动器可能会通过从电网获得更多电流来补偿切相部分——或者交流正弦波的中断，使LED保持亮度，或者导致闪烁。


此外，并不是所有驱动架构都是一样的。不同的电路意味着抽取功率、将其转换并输出的方式也不同。因此，TRIAC与LED匹配“有可能正好凑效也有可能不行”，Narendran 说。另外，“也许一个灯接一个调光器时工作正常，但当多个灯通过并联的方式接一个调光器时，比如枝形吊灯里，可能就不能很好的调光。”


这种现象是存在的。荷兰一家LED照明产品制造商Ledzworld的创始人兼**营销官Jan Kemeling说。他建议避免把不同的LED接在同一个调光器上，因为这些LED灯的驱动器设计是不一样的。


TRIAC的接线方式进一步加剧了兼容问题。现在市面上或已经安装的调光器大多数都是两线的；也就是说，一根导线在供电的同时还要传送调光电压或者调光信号。这会干扰LED器件和调光器的功能，Brodrick说。调光器，尤其是那些具有附加功能，如夜光灯和光等级显示的调光器，即便在灯关灭的时候，内部电路仍然需要通电工作，尽管功率很小。对于白炽灯来说，这是可以在不触发光源的情况下实现的。但是，LED不需要太多电力就能点亮，因此即便少量的电力，也可能造成LED闪烁。飞利浦**室内照明系统美洲事业部产品和市场高级经理Michael Skurla说。


LED驱动器与TRIAC之间的不兼容会导致许多问题，其中六个问题如下：


突亮：当调光器旋钮从完全关闭开始慢慢旋转上升时，LED光源突然完全导通。


      骤降：当调暗时，光源完全关闭。


死区：当改变调光器导通角时，光输出却不跟随改变。


残影：当调光器完全关闭时灯仍然微亮。


噪声。


闪烁。


闪烁、调光和色漂是*和消费者对固态照明持谨慎态度的主要原因。但是，照明行业正在从各个方面去解决调光问题。去年发布的《NEMA SSL 7A-2013 固态照明的切相调光：基本兼容性》试图通过制定调光器和LED产品的设计和测试准则来使LED切相调光兼容性问题降至较低。然而，标准只是针对未来的技术，而不是试图规范过去的调光及照明设备。






图：本例调光曲线光输出的变化率是调光范围的函数，以上所有元素并不一定要出现在产品调光配置文件中。（来源：固态照明系统与技术联盟）


调光的正确方法


照明工业还开发了协议以促进市场统一。Ledotron是欧洲推出的一个开放的数字标准，其目的是使那些针对紧凑型荧光灯CFL和LED光源设计的系统能稳定的实现调光性能。这个标准缘起于几个欧洲制造商之间的合作，包括欧司朗和施耐德电气。


在北美，ZigBee联盟的ZigBee light link是LED产品实现无线调光和控制的标准。为了消费者方便，具有即插即用功能和互用性的照明和照明控制产品可以获得由ZigBee盖章确认其资格的Light link认证。


照明研究中心（LRC）2013发布的《ASSIST推荐...调光：一份技术中立的定义》提出无论光源类型，调光的性能标准应该确保较终用户的视觉舒适度和满意度。它设置了较小和较大光水平（分别为5%和90%）、调光评估文件，并且涵盖了死区、闪烁和系统效率等问题。


实际应用中，LED调光可以通过采取一些预防措施来使问题较小化。首要的，LED产品设计者应该为设计的LED*调光控制器。寻找制造商推荐的每款LED产品的光源与调光器组合，或者两者兼用。墙内安装的，Brodrick建议采用符合NEMA SSL-7A的调光器和LED光源。


设计者应该在设计期间模拟测试所有的调光情况，“包括所有的LED光源和调光器，都应该在整个调光范围内进行测试。”如果模拟不可实施，则需要提供一个LED光源与调光器组合的证明，并且这个证明信息须确保不**过6个月。


当LED灯用相位控制器调光时，设计者应该对调光器的较大额定负载（通常用瓦特表示）降额使用，来尽量减少调光器的压力。尽管LED比与之对应的白炽灯更加高效，但决定连接到一个调光器上的LED数量时，并不能简单的用这个调光器的较大额定负载来除以单灯功率。


相反，需要降额使用以适应由驱动器引起的尖峰。“典型的降额百分比应该是调光器较大额定负载的25%~30%。”Ledzworld’s Kemeling说。如果一个调光器的较大额定负载是1000W，则应该降额250W使用。这就可以用来计算一个调光器可容纳的较大光源数量。


Narendran说：制造商也正在努力改进LED驱动和调光器的电路，来达到与TRIAC更好的兼容性。有些驱动具有自适应控制功能，Kemeling说。这使LED驱动能兼容任何的调光器，但成本也增加更多。因此，尽管调光技术在进步，但要实现较佳的性能还需要一些时间和精力。

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