【導讀】從LED的特性來講，固態(tài)照明能夠平滑的調光，但是如果為了兼容傳統(tǒng)調光技術，就很容易出現(xiàn)問題。調光的本質是相位控制器暫時的切斷輸入電壓來減少向光源輸入的功率。因為每一次切斷輸入電流都發(fā)生在交流正弦波中，它們也被稱為切相調光器。本文就由名家來為大家深度解析關于LED調光的相關知識。
調光經(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。對于會議室和報告大廳來說，調光還可以降低能耗和增強空間的功能。盡管調光得到大范圍應用，但調光器配合傳統(tǒng)光源使用時仍然存在一些問題，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)與技術聯(lián)盟(ASSIST)組織者，照明研究中心(LRC)主管，Nadarajah Narendran說：當今安裝的大部分調光系統(tǒng)都是相位控制器。它們最初是針對白熾燈設計的，通過切斷每半個工頻周期內(nèi)的輸入電流來減少光輸出。
切相調光器每秒鐘切斷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)用于白熾燈和鹵素燈調光，它從正弦波的前相開始切斷，在切斷點位置，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光器，前相控制調光器會在開始導通的時候產(chǎn)生電流尖峰，此尖峰電流會引起蜂鳴聲和增加電子驅動器的壓力。
反相控制調光器可以避免上述問題，因為它是從交流正弦波的后半部分或者說是后沿開始切斷調光器。反相控制調光器在輸入電流剛改變方向時導通，它允許電壓逐漸升高，然后在下一個半周期內(nèi)切斷它。反相控制調光器也被叫做電子低壓(ELV)調光器，用于提高使用電子變壓器的鹵素燈的性能。
LED怎么調光?
作為恒流源，LED天生就可以調光。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體材料層的通電電流來調節(jié)。
在美國能源署(DOE)建筑技術辦公室負責照明項目的經(jīng)理詹姆斯.布羅德里克說：LED不像傳統(tǒng)光源，調光并不會影響LED的效率和壽命。事實上，調光可以降低它們的工作溫度，進而延長LED的壽命。
此外，LED的調光范圍比緊湊型熒光燈和高強度放電燈更廣。相比于緊湊型熒光燈10%~30%的調光剩余(數(shù)據(jù)來源于美國電氣制造協(xié)會NEMA)，高強度放電燈30%~60%的調光剩余(數(shù)據(jù)來源于美國照明產(chǎn)品信息工程NLPIP)，LED的調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，都需要一個驅動器才能實現(xiàn)調光。因為LED都是低壓直流源，LED需要電子驅動器把交流轉換成可利用和可調節(jié)的直流電流。這些驅動器分為兩種調光方式。
在脈寬調制(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”，通過LED的電流就等于LED開關周期內(nèi)的電流平均值。通過減少LED的通電時間可以降低平均電流或者有效電流，進而降低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)方式調光，或者叫做模擬調光。CCR保持光源有連續(xù)的電流，但是通過減小電流幅值來實現(xiàn)調光。“光輸出正比于通過LED器件的電流，”Narendran 說。
PWM和CCR各有優(yōu)缺點。PWM應用更廣泛，調光范圍也更廣，可以做到光輸出的1%以下，且不管LED在額定電流、最大電流，還是零電流下工作，都可以避免色漂現(xiàn)象。因為PWM調光使用快速開關通斷的方式，所以它需要更復雜更昂貴的電子驅動設備來產(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調光方式更高效簡單，因為它所需的驅動設備更簡單更便宜。不像PWM，CCR不會產(chǎn)生由高頻開關引起的電磁干擾EMI。此外，CCR允許驅動器放在離光源更遠的地方，這對LED替換光源或對內(nèi)部空間有限的緊湊型燈具很有利。
但是，CCR不適合應用在調光要求10%以下的場合。在非常低的電流情況下，LED無法正常工作，光輸出也不穩(wěn)定。
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兼容性問題
盡管驅動器決定著LED產(chǎn)品是否能調光，但驅動器的性能表現(xiàn)主要取決于與調光器的兼容性，如相位控制調光器。如果要調光，驅動器的設計必須能匹配調光器的調光信號。
傳統(tǒng)燈具的很多調光技術也能應用在LED上。包括0到10V模擬調光，DALI(數(shù)字可尋址照明接口)調光，DMX調光，和“其他從交流母線電壓中分離調光信號的技術”，Brodrick表示。
對載有調光信息的調光器安裝專線可以提高調光兼容性，因為專線使得調光器跟燈具之間僅有很少或者沒有相互干擾。然而，這種調光系統(tǒng)更復雜更昂貴，這也是它們?yōu)槭裁闯Ｒ娪谏虡I(yè)應用而非住宅應用的原因。
最常見的相位控制器是TRIAC調光器。NEMA估計在美國有1500萬家庭安裝這種調光器，由于白熾燈的禁用，這意味著大量舊的調光器等著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載從電網(wǎng)獲得電力產(chǎn)生光，電流，電壓和亮度之間的關系是線性和直接的，電壓的變化與電流成正比。
LED與白熾燈不同。LED依靠驅動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料的。例如，在低調光水平，恒流或恒壓設計的LED驅動器可能會通過從電網(wǎng)獲得更多電流來補償切相部分——或者交流正弦波的中斷，使LED保持亮度，或者導致閃爍。
此外，并不是所有驅動架構都是一樣的。不同的電路意味著抽取功率、將其轉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。另外，也許一個燈接一個調光器時工作正常，但當多個燈通過并聯(lián)的方式接一個調光器時，比如枝形吊燈里，可能就不能很好的調光。
這種現(xiàn)象是存在的。建議避免把不同的LED接在同一個調光器上，因為這些LED燈的驅動器設計是不一樣的。
TRIAC的接線方式進一步加劇了兼容問題。現(xiàn)在市面上或已經(jīng)安裝的調光器大多數(shù)都是兩線的;也就是說，一根導線在供電的同時還要傳送調光電壓或者調光信號。這會干擾LED器件和調光器的功能，Brodrick說。調光器，尤其是那些具有附加功能，如夜光燈和光等級顯示的調光器，即便在燈關滅的時候，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)光源的情況下實現(xiàn)的。但是，LED不需要太多電力就能點亮，因此即便少量的電力，也可能造成LED閃爍。飛利浦全球室內(nèi)照明系統(tǒng)美洲事業(yè)部產(chǎn)品和市場高級經(jīng)理Michael Skurla說。
LED驅動器與TRIAC之間的不兼容會導致許多問題，其中六個問題如下：
突亮：當調光器旋鈕從完全關閉開始慢慢旋轉上升時，LED光源突然完全導通。
驟降：當調暗時，光源完全關閉。
死區(qū)：當改變調光器導通角時，光輸出卻不跟隨改變。
殘影：當調光器完全關閉時燈仍然微亮。
噪聲。
閃爍。
閃爍、調光和色漂是專家和消費者對固態(tài)照明持謹慎態(tài)度的主要原因。但是，照明行業(yè)正在從各個方面去解決調光問題。
去年發(fā)布的《NEMA SSL 7A-2013固態(tài)照明的切相調光：基本兼容性》試圖通過制定調光器和LED產(chǎn)品的設計和測試準則來使LED切相調光兼容性問題降至最低。
然而，標準只是針對未來的技術，而不是試圖規(guī)范過去的調光及照明設備。
圖2：本例調光曲線光輸出的變化率是調光范圍的函數(shù)，以上所有元素并不一定要出現(xiàn)在產(chǎn)品調光配置文件中。
調光的正確方法
照明工業(yè)還開發(fā)了協(xié)議以促進市場統(tǒng)一。Ledotron是歐洲推出的一個開放的數(shù)字標準，其目的是使那些針對緊湊型熒光燈CFL和LED光源設計的系統(tǒng)能穩(wěn)定的實現(xiàn)調光性能。這個標準緣起于幾個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)品實現(xiàn)無線調光和控制的標準。為了消費者方便，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蓋章確認其資格的Light Link認證。
照明研究中心(LRC)2013發(fā)布的《ASSIST推薦...調光：一份技術中立的定義》提出無論光源類型，調光的性能標準應該確保最終用戶的視覺舒適度和滿意度。它設置了最小和最大光水平(分別為5%和90%)、調光評估文件，并且涵蓋了死區(qū)、閃爍和系統(tǒng)效率等問題。
實際應用中，LED調光可以通過采取一些預防措施來使問題最小化。首要的，LED產(chǎn)品設計者應該為設計的LED指定調光控制器。尋找制造商推薦的每款LED產(chǎn)品的光源與調光器組合，或者兩者兼用。墻內(nèi)安裝的，Brodrick建議采用符合NEMA SSL-7A的調光器和LED光源。
設計者應該在設計期間模擬測試所有的調光情況，“包括所有的LED光源和調光器，都應該在整個調光范圍內(nèi)進行測試。”如果模擬不可實施，則需要提供一個LED光源與調光器組合的證明，并且這個證明信息須確保不超過6個月。
當LED燈用相位控制器調光時，設計者應該對調光器的最大額定負載(通常用瓦特表示)降額使用，來盡量減少調光器的壓力。盡管LED比與之對應的白熾燈更加高效，但決定連接到一個調光器上的LED數(shù)量時，并不能簡單的用這個調光器的最大額定負載來除以單燈功率。
相反，需要降額使用以適應由驅動器引起的尖峰。“典型的降額百分比應該是調光器最大額定負載的25%~30%。如果一個調光器的最大額定負載是1000W，則應該降額250W使用。這就可以用來計算一個調光器可容納的最大光源數(shù)量。
制造商也正在努力改進LED驅動和調光器的電路，來達到與TRIAC更好的兼容性。有些驅動具有自適應控制功能，這使LED驅動能兼容任何的調光器，但成本也增加更多。因此，盡管調光技術在進步，但要實現(xiàn)最佳的性能還需要一些時間和精力。
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