【導(dǎo)讀】從LED的特性來講，固態(tài)照明能夠平滑的調(diào)光，但是如果為了兼容傳統(tǒng)調(diào)光技術(shù)，就很容易出現(xiàn)問題。調(diào)光的本質(zhì)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(diào)光器。本文就由名家來為大家深度解析關(guān)于LED調(diào)光的相關(guān)知識。
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。它們最初是針對白熾燈設(shè)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(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)動器的壓力。
反相控制調(diào)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(diào)光器。反相控制調(diào)光器在輸入電流剛改變方向時導(dǎo)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(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?br />
LED怎么調(diào)光?
作為恒流源，LED天生就可以調(diào)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(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)度放電燈更廣。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，都需要一個驅(qū)動器才能實(shí)現(xiàn)調(diào)光。因為LED都是低壓直流源，LED需要電子驅(qū)動器把交流轉(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”，通過LED的電流就等于LED開關(guān)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(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。“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(diǎn)。PWM應(yīng)用更廣泛，調(diào)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(diào)光使用快速開關(guān)通斷的方式，所以它需要更復(fù)雜更昂貴的電子驅(qū)動設(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)光方式更高效簡單，因為它所需的驅(qū)動設(shè)備更簡單更便宜。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)動器放在離光源更遠(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。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(qū)動器決定著LED產(chǎn)品是否能調(diào)光，但驅(qū)動器的性能表現(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)動器的設(shè)計必須能匹配調(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，因為專線使得調(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)更復(fù)雜更昂貴，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。
最常見的相位控制器是TRIAC調(diào)光器。NEMA估計在美國有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)計的LED驅(qū)動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。另外，也許一個燈接一個調(diào)光器時工作正常，但當(dāng)多個燈通過并聯(lián)的方式接一個調(diào)光器時，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。建議避免把不同的LED接在同一個調(diào)光器上，因為這些LED燈的驅(qū)動器設(shè)計是不一樣的。
TRIAC的接線方式進(jìn)一步加劇了兼容問題。現(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(qū)動器與TRIAC之間的不兼容會導(dǎo)致許多問題，其中六個問題如下：
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，LED光源突然完全導(dǎo)通。
驟降：當(dāng)調(diào)暗時，光源完全關(guān)閉。
死區(qū)：當(dāng)改變調(diào)光器導(dǎo)通角時，光輸出卻不跟隨改變。
殘影：當(dāng)調(diào)光器完全關(guān)閉時燈仍然微亮。
噪聲。
閃爍。
閃爍、調(diào)光和色漂是專家和消費(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)計和測試準(zhǔn)則來使LED切相調(diào)光兼容性問題降至最低。
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2：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。
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)計的系統(tǒng)能穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)調(diào)光性能。這個標(biāo)準(zhǔn)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(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)該確保最終用戶的視覺舒適度和滿意度。它設(shè)置了最小和最大光水平(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)防措施來使問題最小化。首要的，LED產(chǎn)品設(shè)計者應(yīng)該為設(shè)計的LED指定調(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)計者應(yīng)該在設(shè)計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)該在整個調(diào)光范圍內(nèi)進(jìn)行測試。”如果模擬不可實(shí)施，則需要提供一個LED光源與調(diào)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(dāng)LED燈用相位控制器調(diào)光時，設(shè)計者應(yīng)該對調(diào)光器的最大額定負(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)的白熾燈更加高效，但決定連接到一個調(diào)光器上的LED數(shù)量時，并不能簡單的用這個調(diào)光器的最大額定負(fù)載來除以單燈功率。
相反，需要降額使用以適應(yīng)由驅(qū)動器引起的尖峰。“典型的降額百分比應(yīng)該是調(diào)光器最大額定負(fù)載的25%~30%。如果一個調(diào)光器的最大額定負(fù)載是1000W，則應(yīng)該降額250W使用。這就可以用來計算一個調(diào)光器可容納的最大光源數(shù)量。
制造商也正在努力改進(jìn)LED驅(qū)動和調(diào)光器的電路，來達(dá)到與TRIAC更好的兼容性。有些驅(qū)動具有自適應(yīng)控制功能，這使LED驅(qū)動能兼容任何的調(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)最佳的性能還需要一些時間和精力。
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