深度解析:LED到底怎么調(diào)光?

    深度解析:LED到底怎么調(diào)光?
    調(diào)光經(jīng)常用于酒店和劇院,用來營造氣氛,創(chuàng)造親密的感覺,愉悅食客和觀眾。對于會議室和報(bào)告大廳來說,調(diào)光還可以降低能耗和增強(qiáng)空間的功能。盡管調(diào)光得到大范圍應(yīng)用,但調(diào)光器配合傳統(tǒng)光源使用時(shí)仍然存在一些問題,比如降低白熾燈的效能,損害熒光燈的壽命。
    固態(tài)照明系統(tǒng)與技術(shù)聯(lián)盟(ASSIST)組織者,照明研究中心(LRC)主管,Nadarajah Narendran說:當(dāng)今安裝的大部分調(diào)光系統(tǒng)都是相位控制器。它們較初是針對白熾燈設(shè)計(jì)的,通過切斷每半個(gè)工頻周期內(nèi)的輸入電流來減少光輸出。調(diào)光的本質(zhì)是相位控制器暫時(shí)的切斷輸入電壓來減少向光源輸入的功率。因?yàn)槊恳淮吻袛噍斎腚娏鞫及l(fā)生在交流正弦波中,它們也被稱為切相調(diào)光器。


    切相調(diào)光器每秒鐘切斷120次,或者切斷次數(shù)等于交流電傳遞電力給輸電線的頻率。由于白熾燈的鎢絲加熱和冷卻的速度比較慢,所以人眼看到的光源亮度是以恒定的水平下降的。切斷的時(shí)間越長,燈越暗。


    并不是所有相位控制器都從交流正弦波的同一方向切斷。三端雙向可控硅器件(TRIAC)用于白熾燈和鹵素?zé)粽{(diào)光,它從正弦波的前相開始切斷,在切斷點(diǎn)位置,輸入電壓剛過零,輸入電流剛反向。因此,它也被叫做前相控制調(diào)光器,前相控制調(diào)光器會在開始導(dǎo)通的時(shí)候產(chǎn)生電流尖峰,此尖峰電流會引起蜂鳴聲和增加電子驅(qū)動(dòng)器的壓力。


    反相控制調(diào)光器可以避免上述問題,因?yàn)樗菑慕涣髡也ǖ暮蟀氩糠只蛘哒f是后沿開始切斷調(diào)光器。反相控制調(diào)光器在輸入電流剛改變方向時(shí)導(dǎo)通,它允許電壓逐漸升高,然后在下一個(gè)半周期內(nèi)切斷它。反相控制調(diào)光器也被叫做電子低壓(ELV)調(diào)光器,用于提高使用電子變壓器的鹵素?zé)舻男阅堋?/span>






    圖:三端雙向可控硅器件(TRIAC)在前相位置切斷向光源輸入的功率,切斷發(fā)生在輸入電壓剛過零與輸入電流剛改變方向時(shí)。反相控制調(diào)光器(ELV)在交流正弦波的后沿切斷。


    LED怎么調(diào)光?


    作為恒流源,LED天生就可以調(diào)光。Narendran 說:“流過LED燈珠的電流決定了光的輸出”。它們的亮度可以很簡單地通過控制貼在襯底上的半導(dǎo)體材料層的通電電流來調(diào)節(jié)。


    在美國能源署(DOE)建筑技術(shù)辦公室負(fù)責(zé)照明項(xiàng)目的經(jīng)理詹姆斯.布羅德里克說:LED不像傳統(tǒng)光源,調(diào)光并不會影響LED的效率和壽命。事實(shí)上,調(diào)光可以降低它們的工作溫度,進(jìn)而延長LED的壽命。


    此外,LED的調(diào)光范圍比緊湊型熒光燈和高強(qiáng)度放電燈較廣。相比于緊湊型熒光燈10%~30%的調(diào)光剩余(數(shù)據(jù)來源于美國電氣制造協(xié)會NEMA),高強(qiáng)度放電燈30%~60%的調(diào)光剩余(數(shù)據(jù)來源于美國照明產(chǎn)品信息工程N(yùn)LPIP),LED的調(diào)光剩余能做到輸出全載的1%以下。


    任何LED器件,如果要做成替換光源或者LED燈具,都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因?yàn)長ED都是低壓直流源,LED需要電子驅(qū)動(dòng)器把交流轉(zhuǎn)換成可利用和可調(diào)節(jié)的直流電流。這些驅(qū)動(dòng)器分為兩種調(diào)光方式。在脈寬調(diào)制(PWM)方式中,通過LED的電流以很高的頻率通斷,“通常是每秒幾千次”,Narendran 說?!巴ㄟ^LED的電流就等于LED開關(guān)周期內(nèi)的電流平均值?!蓖ㄟ^減少LED的通電時(shí)間可以降低平均電流或者有效電流,進(jìn)而降低LED的亮度。


    LED和傳統(tǒng)光源一樣,也可以通過以電流恒定降低(CCR)方式調(diào)光,或者叫做模擬調(diào)光。CCR保持光源有連續(xù)的電流,但是通過減小電流幅值來實(shí)現(xiàn)調(diào)光?!肮廨敵稣扔谕ㄟ^LED器件的電流,”Narendran 說。


    PWM和CCR各有優(yōu)缺點(diǎn)。PWM應(yīng)用較廣泛,調(diào)光范圍也較廣,可以做到光輸出的1%以下,Narendran 說,且不管LED在額定電流、較大電流,還是零電流下工作,都可以避免色漂現(xiàn)象。因?yàn)镻WM調(diào)光使用快速開關(guān)通斷的方式,所以它需要較復(fù)雜較昂貴的電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備來產(chǎn)生足夠高頻率的電流脈沖來防止產(chǎn)生人眼可察覺的閃爍。


    CCR調(diào)光方式較高效簡單,因?yàn)樗璧尿?qū)動(dòng)設(shè)備較簡單較*。不像PWM,CCR不會產(chǎn)生由高頻開關(guān)引起的電磁干擾EMI。此外,CCR允許驅(qū)動(dòng)器放在離光源較遠(yuǎn)的地方,這對LED替換光源或?qū)?nèi)部空間有限的緊湊型燈具很有利。但是,CCR不適合應(yīng)用在調(diào)光要求10%以下的場合?!霸诜浅5偷碾娏髑闆r下,LED無法正常工作,光輸出也不穩(wěn)定?!盢arendran 說。


    兼容性問題


    盡管驅(qū)動(dòng)器決定著LED產(chǎn)品是否能調(diào)光,但驅(qū)動(dòng)器的性能表現(xiàn)主要取決于與調(diào)光器的兼容性,如相位控制調(diào)光器。如果要調(diào)光,驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)必須能匹配調(diào)光器的調(diào)光信號。


    傳統(tǒng)燈具的很多調(diào)光技術(shù)也能應(yīng)用在LED上。包括0到10V模擬調(diào)光,DALI(數(shù)字可尋址照明接口)調(diào)光,DMX調(diào)光,和“其他從交流母線電壓中分離調(diào)光信號的技術(shù)”,Brodrick表示。


    對載有調(diào)光信息的調(diào)光器安裝專線可以提高調(diào)光兼容性,因?yàn)閷>€使得調(diào)光器跟燈具之間僅有很少或者沒有相互干擾。然而,這種調(diào)光系統(tǒng)較復(fù)雜較昂貴,這也是它們?yōu)槭裁闯R娪谏虡I(yè)應(yīng)用而非住宅應(yīng)用的原因。


    較常見的相位控制器是TRIAC調(diào)光器。NEMA估計(jì)在美國有1500萬家庭安裝這種調(diào)光器,由于白熾燈的禁用,這意味著大量舊的調(diào)光器等著LED燈具去替換白熾燈。不幸地是,LED與TRIAC的兼容性是個(gè)問題。


    兼容性不好的原因之一就是白熾燈和LED供電方式存在差異。白熾燈通過簡單的阻性負(fù)載從電網(wǎng)獲得電力產(chǎn)生光,電流,電壓和亮度之間的關(guān)系是線性和直接的,電壓的變化與電流成正比。


    LED與白熾燈不同。LED依靠驅(qū)動(dòng)電路提供恒定的電流,并確保合適的功率和電壓,他們與TRIAC的相互作用是不可預(yù)料的。例如,在低調(diào)光水平,恒流或恒壓設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)器可能會通過從電網(wǎng)獲得更多電流來補(bǔ)償切相部分——或者交流正弦波的中斷,使LED保持亮度,或者導(dǎo)致閃爍。


    此外,并不是所有驅(qū)動(dòng)架構(gòu)都是一樣的。不同的電路意味著抽取功率、將其轉(zhuǎn)換并輸出的方式也不同。因此,TRIAC與LED匹配“有可能正好湊效也有可能不行”,Narendran 說。另外,“也許一個(gè)燈接一個(gè)調(diào)光器時(shí)工作正常,但當(dāng)多個(gè)燈通過并聯(lián)的方式接一個(gè)調(diào)光器時(shí),比如枝形吊燈里,可能就不能很好的調(diào)光。”


    這種現(xiàn)象是存在的。荷蘭一家LED照明產(chǎn)品制造商Ledzworld的創(chuàng)始人兼**營銷官Jan Kemeling說。他建議避免把不同的LED接在同一個(gè)調(diào)光器上,因?yàn)檫@些LED燈的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)是不一樣的。


    TRIAC的接線方式進(jìn)一步加劇了兼容問題?,F(xiàn)在市面上或已經(jīng)安裝的調(diào)光器大多數(shù)都是兩線的;也就是說,一根導(dǎo)線在供電的同時(shí)還要傳送調(diào)光電壓或者調(diào)光信號。這會干擾LED器件和調(diào)光器的功能,Brodrick說。調(diào)光器,尤其是那些具有附加功能,如夜光燈和光等級顯示的調(diào)光器,即便在燈關(guān)滅的時(shí)候,內(nèi)部電路仍然需要通電工作,盡管功率很小。對于白熾燈來說,這是可以在不觸發(fā)光源的情況下實(shí)現(xiàn)的。但是,LED不需要太多電力就能點(diǎn)亮,因此即便少量的電力,也可能造成LED閃爍。飛利浦**室內(nèi)照明系統(tǒng)美洲事業(yè)部產(chǎn)品和市場**經(jīng)理Michael Skurla說。


    LED驅(qū)動(dòng)器與TRIAC之間的不兼容會導(dǎo)致許多問題,其中六個(gè)問題如下:


    突亮:當(dāng)調(diào)光器旋鈕從完全關(guān)閉開始慢慢旋轉(zhuǎn)上升時(shí),LED光源突然完全導(dǎo)通。


          驟降:當(dāng)調(diào)暗時(shí),光源完全關(guān)閉。


    死區(qū):當(dāng)改變調(diào)光器導(dǎo)通角時(shí),光輸出卻不跟隨改變。


    殘影:當(dāng)調(diào)光器完全關(guān)閉時(shí)燈仍然微亮。


    噪聲。


    閃爍。


    閃爍、調(diào)光和色漂是*和消費(fèi)者對固態(tài)照明持謹(jǐn)慎態(tài)度的主要原因。但是,照明行業(yè)正在從各個(gè)方面去解決調(diào)光問題。去年發(fā)布的《NEMA SSL 7A-2013 固態(tài)照明的切相調(diào)光:基本兼容性》試圖通過制定調(diào)光器和LED產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測試準(zhǔn)則來使LED切相調(diào)光兼容性問題降至較低。然而,標(biāo)準(zhǔn)只是針對未來的技術(shù),而不是試圖規(guī)范過去的調(diào)光及照明設(shè)備。






    圖:本例調(diào)光曲線光輸出的變化率是調(diào)光范圍的函數(shù),以上所有元素并不一定要出現(xiàn)在產(chǎn)品調(diào)光配置文件中。(來源:固態(tài)照明系統(tǒng)與技術(shù)聯(lián)盟)


    調(diào)光的正確方法


    照明工業(yè)還開發(fā)了協(xié)議以促進(jìn)市場統(tǒng)一。Ledotron是歐洲推出的一個(gè)開放的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn),其目的是使那些針對緊湊型熒光燈CFL和LED光源設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)調(diào)光性能。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)緣起于幾個(gè)歐洲制造商之間的合作,包括歐司朗和施耐德電氣。


    在北美,ZigBee聯(lián)盟的ZigBee light link是LED產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)無線調(diào)光和控制的標(biāo)準(zhǔn)。為了消費(fèi)者方便,具有即插即用功能和互用性的照明和照明控制產(chǎn)品可以獲得由ZigBee蓋章確認(rèn)其資格的Light link認(rèn)證。


    照明研究中心(LRC)2013發(fā)布的《ASSIST推薦...調(diào)光:一份技術(shù)中立的定義》提出無論光源類型,調(diào)光的性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該確保較終用戶的視覺舒適度和滿意度。它設(shè)置了較小和較大光水平(分別為5%和90%)、調(diào)光評估文件,并且涵蓋了死區(qū)、閃爍和系統(tǒng)效率等問題。


    實(shí)際應(yīng)用中,LED調(diào)光可以通過采取一些預(yù)防措施來使問題較小化。首要的,LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)該為設(shè)計(jì)的LED*調(diào)光控制器。尋找制造商推薦的每款LED產(chǎn)品的光源與調(diào)光器組合,或者兩者兼用。墻內(nèi)安裝的,Brodrick建議采用符合NEMA SSL-7A的調(diào)光器和LED光源。


    設(shè)計(jì)者應(yīng)該在設(shè)計(jì)期間模擬測試所有的調(diào)光情況,“包括所有的LED光源和調(diào)光器,都應(yīng)該在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)進(jìn)行測試?!比绻M不可實(shí)施,則需要提供一個(gè)LED光源與調(diào)光器組合的證明,并且這個(gè)證明信息須確保不**過6個(gè)月。


    當(dāng)LED燈用相位控制器調(diào)光時(shí),設(shè)計(jì)者應(yīng)該對調(diào)光器的較大額定負(fù)載(通常用瓦特表示)降額使用,來盡量減少調(diào)光器的壓力。盡管LED比與之對應(yīng)的白熾燈較加高效,但決定連接到一個(gè)調(diào)光器上的LED數(shù)量時(shí),并不能簡單的用這個(gè)調(diào)光器的較大額定負(fù)載來除以單燈功率。


    相反,需要降額使用以適應(yīng)由驅(qū)動(dòng)器引起的尖峰?!暗湫偷慕殿~百分比應(yīng)該是調(diào)光器較大額定負(fù)載的25%~30%?!盠edzworld’s Kemeling說。如果一個(gè)調(diào)光器的較大額定負(fù)載是1000W,則應(yīng)該降額250W使用。這就可以用來計(jì)算一個(gè)調(diào)光器可容納的較大光源數(shù)量。


    Narendran說:制造商也正在努力改進(jìn)LED驅(qū)動(dòng)和調(diào)光器的電路,來達(dá)到與TRIAC較好的兼容性。有些驅(qū)動(dòng)具有自適應(yīng)控制功能,Kemeling說。這使LED驅(qū)動(dòng)能兼容任何的調(diào)光器,但成本也增加更多。因此,盡管調(diào)光技術(shù)在進(jìn)步,但要實(shí)現(xiàn)較佳的性能還需要一些時(shí)間和精力。

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    詞條說明

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