深度解析：LED到底怎么調光？

從LED特性來(lái)說(shuō)，固態(tài)照明可以很平滑的調光，但為了兼容傳統調光技術(shù)，就出現問(wèn)題了。

　　調光經(jīng)常用于酒店和劇院，用來(lái)營(yíng)造氣氛，創(chuàng )造親密的感覺(jué)，愉悅食客和觀(guān)眾。對于會(huì )議室和報告大廳來(lái)說(shuō)，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，但調光器配合傳統光源使用時(shí)仍然存在一些問(wèn)題，比如降低白熾燈的效能，損害熒光燈的壽命。

　　固態(tài)照明系統與技術(shù)聯(lián)盟（ASSIST）組織者，照明研究中心（LRC）主管，Nadarajah Narendran說(shuō)：當今安裝的大部分調光系統都是相位控制器。它們最初是針對白熾燈設計的，通過(guò)切斷每半個(gè)工頻周期內的輸入電流來(lái)減少光輸出。調光的本質(zhì)是相位控制器暫時(shí)的切斷輸入電壓來(lái)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(chēng)為切相調光器。

　　切相調光器每秒鐘切斷120次，或者切斷次數等于交流電傳遞電力給輸電線(xiàn)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(cháng)，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(kāi)始切斷，在切斷點(diǎn)位置，輸入電壓剛過(guò)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(huì )在開(kāi)始導通的時(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動(dòng)器的壓力。

　　反相控制調光器可以避免上述問(wèn)題，因為它是從交流正弦波的后半部分或者說(shuō)是后沿開(kāi)始切斷調光器。反相控制調光器在輸入電流剛改變方向時(shí)導通，它允許電壓逐漸升高，然后在下一個(gè)半周期內切斷它。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。

　　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(guò)零與輸入電流剛改變方向時(shí)。反相控制調光器（ELV）在交流正弦波的后沿切斷。

　　LED怎么調光？

　　作為恒流源，LED天生就可以調光。Narendran 說(shuō)：“流過(guò)LED燈珠的電流決定了光的輸出”。它們的亮度可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)控制貼在襯底上的半導體材料層的通電電流來(lái)調節。

　　在美國能源署（DOE）建筑技術(shù)辦公室負責照明項目的經(jīng)理詹姆斯.布羅德里克說(shuō)：LED不像傳統光源，調光并不會(huì )影響LED的效率和壽命。事實(shí)上，調光可以降低它們的工作溫度，進(jìn)而延長(cháng)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（數據來(lái)源于美國電氣制造協(xié)會(huì )NEMA），高強度放電燈30%~60%的調光剩余（數據來(lái)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(gè)驅動(dòng)器才能實(shí)現調光。因為L(cháng)ED都是低壓直流源，LED需要電子驅動(dòng)器把交流轉換成可利用和可調節的直流電流。這些驅動(dòng)器分為兩種調光方式。在脈寬調制（PWM）方式中，通過(guò)LED的電流以很高的頻率通斷，“通常是每秒幾千次”，Narendran 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)LED的電流就等于LED開(kāi)關(guān)周期內的電流平均值?！蓖ㄟ^(guò)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和傳統光源一樣，也可以通過(guò)以電流恒定降低（CCR）方式調光，或者叫做模擬調光。CCR保持光源有連續的電流，但是通過(guò)減小電流幅值來(lái)實(shí)現調光?！肮廨敵稣扔谕ㄟ^(guò)LED器件的電流，”Narendran 說(shuō)。

　　PWM和CCR各有優(yōu)缺點(diǎn)。PWM應用更廣泛，調光范圍也更廣，可以做到光輸出的1%以下，Narendran 說(shuō)，且不管LED在額定電流、最大電流，還是零電流下工作，都可以避免色漂現象。因為PWM調光使用快速開(kāi)關(guān)通斷的方式，所以它需要更復雜更昂貴的電子驅動(dòng)設備來(lái)產(chǎn)生足夠高頻率的電流脈沖來(lái)防止產(chǎn)生人眼可察覺(jué)的閃爍。

　　CCR調光方式更高效簡(jiǎn)單，因為它所需的驅動(dòng)設備更簡(jiǎn)單更便宜。不像PWM，CCR不會(huì )產(chǎn)生由高頻開(kāi)關(guān)引起的電磁干擾EMI。此外，CCR允許驅動(dòng)器放在離光源更遠的地方，這對LED替換光源或對內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(chǎng)合?！霸诜浅５偷碾娏髑闆r下，LED無(wú)法正常工作，光輸出也不穩定?！盢arendran 說(shuō)。

　　兼容性問(wèn)題

　　盡管驅動(dòng)器決定著(zhù)LED產(chǎn)品是否能調光，但驅動(dòng)器的性能表現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(dòng)器的設計必須能匹配調光器的調光信號。

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

　　對載有調光信息的調光器安裝專(zhuān)線(xiàn)可以提高調光兼容性，因為專(zhuān)線(xiàn)使得調光器跟燈具之間僅有很少或者沒(méi)有相互干擾。然而，這種調光系統更復雜更昂貴，這也是它們?yōu)槭裁闯Ｒ?jiàn)于商業(yè)應用而非住宅應用的原因。

　　最常見(jiàn)的相位控制器是TRIAC調光器。NEMA估計在美國有1500萬(wàn)家庭安裝這種調光器，由于白熾燈的禁用，這意味著(zhù)大量舊的調光器等著(zhù)LED燈具去替換白熾燈。不幸地是，LED與TRIAC的兼容性是個(gè)問(wèn)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(guò)簡(jiǎn)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(guān)系是線(xiàn)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(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料的。例如，在低調光水平，恒流或恒壓設計的LED驅動(dòng)器可能會(huì )通過(guò)從電網(wǎng)獲得更多電流來(lái)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(dòng)架構都是一樣的。不同的電路意味著(zhù)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”，Narendran 說(shuō)。另外，“也許一個(gè)燈接一個(gè)調光器時(shí)工作正常，但當多個(gè)燈通過(guò)并聯(lián)的方式接一個(gè)調光器時(shí)，比如枝形吊燈里，可能就不能很好的調光?！?/p>

　　這種現象是存在的。荷蘭一家LED照明產(chǎn)品制造商Ledzworld的創(chuàng )始人兼首席營(yíng)銷(xiāo)官Jan Kemeling說(shuō)。他建議避免把不同的LED接在同一個(gè)調光器上，因為這些LED燈的驅動(dòng)器設計是不一樣的。

　　TRIAC的接線(xiàn)方式進(jìn)一步加劇了兼容問(wèn)題?，F在市面上或已經(jīng)安裝的調光器大多數都是兩線(xiàn)的；也就是說(shuō)，一根導線(xiàn)在供電的同時(shí)還要傳送調光電壓或者調光信號。這會(huì )干擾LED器件和調光器的功能，Brodrick說(shuō)。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(guān)滅的時(shí)候，內部電路仍然需要通電工作，盡管功率很小。對于白熾燈來(lái)說(shuō)，這是可以在不觸發(fā)光源的情況下實(shí)現的。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。飛利浦全球室內照明系統美洲事業(yè)部產(chǎn)品和市場(chǎng)高級經(jīng)理Michael Skurla說(shuō)。

　　LED驅動(dòng)器與TRIAC之間的不兼容會(huì )導致許多問(wèn)題，其中六個(gè)問(wèn)題如下：

　　突亮：當調光器旋鈕從完全關(guān)閉開(kāi)始慢慢旋轉上升時(shí)，LED光源突然完全導通。

　驟降：當調暗時(shí)，光源完全關(guān)閉。

　　死區：當改變調光器導通角時(shí)，光輸出卻不跟隨改變。

　　殘影：當調光器完全關(guān)閉時(shí)燈仍然微亮。

　　噪聲。

　　閃爍。

　　閃爍、調光和色漂是專(zhuān)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(gè)方面去解決調光問(wèn)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(guò)制定調光器和LED產(chǎn)品的設計和測試準則來(lái)使LED切相調光兼容性問(wèn)題降至最低。然而，標準只是針對未來(lái)的技術(shù)，而不是試圖規范過(guò)去的調光及照明設備。