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深度解析:LED调光是如何做到的?

时间:2022-11-18

从LED特性来看,固态照明可以平滑调光,但为了兼容传统调光技术,问题就出现了。

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酒店和剧院经常使用调光来调节气氛、营造亲密感并取悦食客和观众。对于会议室和报告厅,调光还可以降低能源消耗,增强空间的功能性。虽然调光应用广泛,但调光器与传统光源配合使用时,仍存在一些问题,如降低白炽灯的效率,损害荧光灯的寿命等。

照明研究中心(LRC)主任、固态照明系统和技术联盟组织者照明研究中心(LRC)表示:如今安装的大多数调光系统都是相位控制器。它们最初是为白炽灯设计的,通过每半个线路频率周期切断输入电流来减少光输出。调光的实质是相位控制器暂时切断输入电压,以降低输入光源的功率。由于输入电流的每次切断都发生在交流正弦波中,因此它们也被称为切相调光器。

切相调光器每秒切断 120 次,或者切断次数等于交流电向传输线供电的频率。由于白炽灯的钨丝加热和冷却缓慢,人眼看到的光源亮度在一个恒定的水平上递减。关闭的时间越长,灯光越暗。

并非所有的相位控制器都从交流正弦波的同一方向切断。三端双向晶闸管器件(TRIAC)用于白炽灯和卤素灯的调光。它从正弦波的前相切断。在截止点,输入电压刚刚过零,输入电流刚好反转。因此,它也被称为前相控制调光器,前相控制调光器在开始导通时会产生一个电流尖峰,而这个尖峰电流会引起嗡嗡声led调光器,增加电子驱动器的压力。

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反转调光器的控制可以避免上述问题,因为它从交流正弦波的后半部分或后沿切断调光器。当输入电流刚好改变方向时,反相控制调光器打开,它允许电压上升,然后在下一个半周期内将其切断。逆变控制调光器,也称为电子低压 (ELV) 调光器,用于提高使用电子变压器的卤素灯的性能。

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图:三端双向晶闸管器件(TRIAC)在前相位置切断输入光源的电源,在输入电压刚过零、输入电流刚好改变方向时发生切断。反相控制调光器 (ELV) 在交流正弦波的后沿切断。

如何调暗 LED?

作为恒流源,LED 本质上是可调光的。说:“流过LED灯珠的电流决定光输出”。它们的亮度可以简单地通过控制流过附着在基板上的半导体材料层的电流来调节。

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美国能源部(DOE)建筑技术办公室照明项目经理 James 表示:LED 不像传统光源,调光不会影响 LED 的效率和寿命。事实上,调光可以降低它们的工作温度,从而延长 LED 的使用寿命。

此外,与紧凑型荧光灯和高强度放电灯相比,LED 具有更宽的调光范围。相对于紧凑型荧光灯10%~30%的调光剩余(数据来自NEMA),高强度放电灯有30%~60%的调光剩余(数据来自美国照明产品信息工程NLPIP),LED调光剩余可以更少超过输出满载的 1%。

任何LED器件,如果要做成替代光源或LED灯,都需要驱动器来实现调光。由于 LED 是低压直流电源,因此 LED 需要电子驱动器将交流电转换为可用且可调节的直流电。这些驱动器分为两种调光方法。在脉宽调制 (PWM) 中,通过 LED 的电流以非常高的频率打开和关闭led调光器,“通常每秒数千次,”他说。“通过LED的电流等于LED开关周期内电流的平均值。” 通过减少LED的通电时间,可以降低平均电流或有效电流,从而降低LED的亮度。

与传统光源一样,LED 也可以通过恒流降低 (CCR) 或模拟调光来调光。CCR 维持对光源的连续电流,但通过减小电流的大小来实现调光。“光输出与通过 LED 设备的电流成正比,”说。

PWM和CCR各有优缺点。PWM应用更广泛,调光范围也更广。可实现小于1%的光输出,无论LED工作在额定电流、最大电流还是零电流下,都可以避免色漂。由于 PWM 调光使用快速开关,因此需要更复杂和昂贵的电子驱动设备来产生频率足够高的电流脉冲,以防止人眼可察觉的闪烁。

CCR调光方式更高效、更简单,因为它需要的驱动设备更简单、更便宜。与 PWM 不同,CCR 不会产生高频开关引起的电磁干扰 EMI。此外,CCR 允许驱动器放置在离光源更远的位置,这有利于 LED 替代光源或内部空间有限的紧凑型灯具。但是,CCR 不适用于调光要求低于 10% 的应用。“在非常低的电流下,LED 不能正常工作,光输出也不稳定,”他说。

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兼容性问题

虽然驱动器决定了LED产品能否调光,但驱动器的性能主要取决于与调光器的兼容性,如相控调光器。如果需要调光,则必须设计驱动器以匹配来自调光器的调光信号。

传统灯具的很多调光技术也可以应用到LED上。其中包括 0 至 10V 模拟调光、DALI(数字可寻址照明接口)调光、DMX 调光,以及“将调光信号与交流总线电压分开的其他技术”,声明说。

为携带调光信息的调光器安装专线可以提高调光兼容性,因为专线使调光器和灯具之间几乎没有或没有相互干扰。然而,此类调光系统更加复杂和昂贵,这就是为什么它们更常见于商业而非住宅应用。

最常见的相位控制器是 TRIAC 调光器。NEMA 估计美国有 1500 万户家庭安装了这种调光器。由于白炽灯的禁令,这意味着大量的旧调光器正在等待LED灯取代白炽灯。不幸的是,LED 与 TRIAC 的兼容性是一个问题。

兼容性差的原因之一是白炽灯和LED的供电方式存在差异。白炽灯是通过一个简单的电阻性负载从电网获取电能来发光,电流、电压和亮度之间的关系是线性直接的,电压的变化与电流成正比。

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LED 与白炽灯泡不同。LED 依靠驱动电路提供恒定电流并确保适当的功率和电压,并且它们与 TRIAC 的相互作用是不可预测的。例如,在低调光水平下,恒流或恒压设计的 LED 驱动器可能会通过从电网汲取更多电流来补偿切相部分,或者中断保持 LED 亮的交流正弦波,或者导致闪烁。

此外,并非所有驱动程序架构都是平等的。不同的电路意味着提取功率、转换功率和输出功率的不同方式。因此,将 TRIAC 与 LED 相匹配“可能会或可能不会很好地工作,”他说。此外,“也许一盏灯用一个调光器工作得很好,但当多盏灯并联连接到一个调光器时,就像在枝形吊灯中一样,它可能不会调暗。”

这种现象是存在的。荷兰一家 LED 照明产品制造商的创始人兼首席营销官 Jan 说。他建议避免将不同的 LED 连接到同一个调光器,因为这些 LED 灯的驱动器设计不同。

TRIAC 的接线方式进一步加剧了兼容性问题。市场上或已经安装的大多数调光器都是双线的;即一根导线在供电的同时还传输调光电压或调光信号。这会干扰 LED 设备和调光器的功能,说。调光器,尤其是那些具有夜灯和光级显示等附加功能的调光器,即使在灯关闭时也需要电源来操作内部电路,尽管功率很小。对于白炽灯,这可以在不触发光源的情况下实现。然而,LED 不需要太多的功率来点亮,因此即使是少量的功率也会导致 LED 闪烁。飞利浦全球室内照明系统美洲事业部产品和营销高级经理表示。

LED 驱动器和 TRIAC 之间的不兼容性会导致许多问题,其中六个如下:

闪烁:当调光旋钮从全关慢慢向上旋转时,LED光源突然全亮。

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Dip:变暗时,光源完全关闭。

死区:当调光器的导通角发生变化时,光输出不跟随变化。

残像:当调光器完全关闭时,灯光仍然微弱。

噪音。

闪烁。

闪烁、调光和颜色漂移是专家和消费者对固态照明持谨慎态度的主要原因。然而,照明行业正在从多方面解决调光问题。去年发布的 NEMA SSL 7A-2013 固态照明切相调光:基本兼容性试图通过建立调光器和 LED 产品的设计和测试指南来尽量减少 LED 切相调光兼容性问题。然而,该标准只是针对未来的技术,而不是试图规范过去的调光和照明设备。

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