深度解析：LED到底怎么調(diào)光？

從LED特性來說，固態(tài)照明可以很平滑的調(diào)光，但為了兼容傳統(tǒng)調(diào)光技術(shù)，就出現(xiàn)問題了。 　　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(huì)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。它們最初是針對白熾燈設(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(huì)在開始導(dǎo)通的時(shí)候產(chǎn)生電流尖峰，此尖峰電流會(huì)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? 　　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(huì)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(huì)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。“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(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。“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，Narendran 說，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?yàn)镻WM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(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)光方式更高效簡單，因?yàn)樗璧尿?qū)動(dòng)設(shè)備更簡單更便宜。不像PWM，CCR不會(huì)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。”Narendran 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)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(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(huì)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)始人兼首席營銷官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。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(shí)還要傳送調(diào)光電壓或者調(diào)光信號。這會(huì)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(dòng)器與TRIAC之間的不兼容會(huì)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(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。