路秋生

(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100070)

1 LED 照明調(diào)光的特點(diǎn)

LED 照明具有工作壽命長(zhǎng)、顯色性好、幾乎沒(méi)有紅外輻射、并且不含水銀等優(yōu)點(diǎn)。LED 照明調(diào)光具有節(jié)能的功效，并且LED 調(diào)光可以降低LED 的工作溫度，提高LED 燈具和LED 熒光粉涂層的工作壽命。

任何燈具調(diào)光工作(LED、熒光燈、鹵鎢燈、CFL燈)都可以改善照明環(huán)境的舒適性。研究證明，合適的照明環(huán)境可以提高工作人員的工作效率，降低工作人員的工作疲勞感，使工作人員更滿足自己的工作環(huán)境。

使用LED 照明時(shí)，應(yīng)使LED、LED 驅(qū)動(dòng)器和控制電路之間相匹配，從而充分發(fā)揮LED 照明的優(yōu)點(diǎn)。并且還需對(duì)照明應(yīng)用場(chǎng)合、所需的調(diào)光控制特性和照明控制設(shè)備等因素進(jìn)行綜合考慮。

調(diào)光范圍的大小和應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，例如，在大廳或走廊，如能使最低調(diào)光范圍達(dá)到20%，而在餐廳如能將最低調(diào)光范圍調(diào)低至1%，調(diào)光效果會(huì)更理想。

市面上有許多從高壓(傳統(tǒng)的前沿相控或后沿相控調(diào)光控制器)到低壓(基于0～10 V、DMX 或DALI調(diào)光控制器等)的調(diào)光控制器，甚至有些嵌入了無(wú)線通信控制功能。許多新照明控制技術(shù)的出現(xiàn)，便于用戶選用，可以實(shí)現(xiàn)高性能、節(jié)能和照明效果的有效控制。

目前可以實(shí)現(xiàn)LED 調(diào)光的方法有很多種，但是現(xiàn)階段能夠被市場(chǎng)普遍接受的調(diào)光方式是相控調(diào)光。相控調(diào)光的主要優(yōu)點(diǎn)是使用、安裝方便，可以在不改動(dòng)原有線路的情況下安裝使用。

由于現(xiàn)有的相控調(diào)光器被設(shè)計(jì)用于鎢絲燈(近似電阻負(fù)載，功率大多在20 W～50 W)，因此需要一些額外的電路才能使它們用于LED 照明系統(tǒng)。據(jù)NEMA 的有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上有近200 多種相控調(diào)光控制器，所以使用中存在LED 相控調(diào)光與相控調(diào)光器的匹配問(wèn)題。

相控調(diào)光按工作原理可以分為前沿相控調(diào)光和后沿相控調(diào)光兩種。前沿相控調(diào)光一般采用可控硅半控功率開關(guān)器件，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。前沿相控調(diào)光電路通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)控制輸出交流電的有效值，從而達(dá)到調(diào)光控制效果。

但是可控硅相控調(diào)光工作在斬波方式下無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓正弦波輸出，因此會(huì)出現(xiàn)大量諧波，形成對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波污染。

相控調(diào)光加大了輸入交流電流有效值IRMS和有關(guān)元器件上的應(yīng)力，可控硅工作電流太低與/或定時(shí)電路工作不穩(wěn)定，降低的VRMS值與/或?qū)ń请y于測(cè)量，流過(guò)調(diào)光器的一部分電流沒(méi)有流過(guò)LED 負(fù)載，并且這個(gè)電流大小不穩(wěn)定，都會(huì)影響相控調(diào)光的使用效果。

可控硅前沿相控調(diào)光應(yīng)用在傳統(tǒng)的鎢絲燈和鹵素?zé)魰r(shí)不僅低成本，而且可達(dá)到很好的調(diào)光效果，得到了非常好的應(yīng)用?？煽毓枨把叵嗫卣{(diào)光由于在低調(diào)光亮度時(shí)通過(guò)可控硅的電流減小，如調(diào)光亮度很低，通過(guò)可控硅的電流低于可控硅的維持導(dǎo)通電流時(shí)就不能再調(diào)光，否則可控硅關(guān)斷，這對(duì)LED 的低調(diào)光亮度應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)造成影響。

而后沿相控調(diào)光電路中使用的是全控功率開關(guān)器件(例如功率開關(guān)晶體管、功率MOSFET 或IGBT)，開關(guān)控制過(guò)程可以做的較為平滑，不存在可控硅半控功率器件的導(dǎo)通維持工作電流等問(wèn)題，后沿相控調(diào)光電路的EMI 較可控硅前沿相控電路小，但是電路結(jié)構(gòu)較前沿相控電路復(fù)雜，電路造價(jià)相對(duì)要高些。

2 相控調(diào)光角的定義與相控光輸出特性要求

在NEMA SSL 6 技術(shù)文件中對(duì)相控角和相控調(diào)光輸出特性作了有關(guān)規(guī)定。對(duì)相控角的定義如圖1 所示。相控角與相對(duì)光輸出的工作特性曲線要求如圖2所示。LED 調(diào)光工作特性應(yīng)在圖2 所示的上限曲線和下限曲線之間，圖2 中的白熾燈調(diào)光曲線用于調(diào)光工作特性說(shuō)明性目的。對(duì)應(yīng)圖2 調(diào)光曲線的有關(guān)參數(shù)要求如表1 所示(針對(duì)120 VAC交流市電供電應(yīng)用場(chǎng)合而言)。圖3 表示對(duì)相控調(diào)光工作特性曲線工作特性的有關(guān)技術(shù)要求。在圖3 中對(duì)低調(diào)光電平和高調(diào)光電平不靈敏區(qū)、調(diào)光控制起始點(diǎn)、單調(diào)調(diào)光控制特性、非單調(diào)調(diào)光控制特性和調(diào)光控制范圍等工作特性給出了說(shuō)明。

SSL 6 主要針對(duì)基于白熾燈基座的LED 替換燈相控調(diào)光應(yīng)用場(chǎng)合。在2011年v4月給出的SSL 6 勘誤表中將相控角40°或更大技術(shù)要求，改為相控角40°或更小。在導(dǎo)通角為40°或更低時(shí)調(diào)光輸出應(yīng)不大于額定光輸出值的25%。

圖1 NEMA 對(duì)相控角的定義

圖2 相控角與相對(duì)光輸出的工作特性曲線要求

圖3 對(duì)相控調(diào)光工作特性曲線工作特性的有關(guān)技術(shù)要求

表1 對(duì)圖2 調(diào)光曲線的有關(guān)參數(shù)要求

SSL 6 規(guī)定LED 可調(diào)光應(yīng)在產(chǎn)品包裝或產(chǎn)品網(wǎng)站上注明以下內(nèi)容。

(1)適用于大多數(shù)白熾燈調(diào)光器，在產(chǎn)品網(wǎng)站上應(yīng)列出適用調(diào)光器的型號(hào)和數(shù)量;

(2)一個(gè)調(diào)光器能帶的LED 燈模組數(shù)量;

(3)在最低光輸出(非關(guān)斷)時(shí)的相對(duì)光輸出等內(nèi)容。

3 調(diào)光控制裝置與LED 燈或LED模組的連接

NEMA SSL 7A 于2013年v4月22日發(fā)布，在SSL 7A 中對(duì)調(diào)光控制裝置與LED 燈或LED 模組的連接做出了如圖4 所示的說(shuō)明?？梢钥闯鯨ED 模組與LED 控制裝置的連接可以有三種不同的連接方式。他們分別是，LED 模組與控制裝置集成、LED 模組與控制裝置通過(guò)連線連接和控制裝置與多個(gè)LED 模組連接的控制方式。

圖4 LED 光引擎(LLE)的三種不同連接方式

NEMA SSL 7A 標(biāo)準(zhǔn)中包含了LED 光引擎和LED前沿相控調(diào)光控制器的有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、兼容性測(cè)試和有關(guān)測(cè)試步驟技術(shù)要求。NEMA SSL 7A 對(duì)一個(gè)前沿相控調(diào)光控制器帶多個(gè)可調(diào)光LED 光引擎時(shí)的兼容性提出了技術(shù)要求。LED 光引擎內(nèi)含有一個(gè)或多個(gè)LED 模塊和LED 控制部件(集成或遙控)，并連接到電源供電電路。

按照NEMA SSL 7A 的技術(shù)要求，利用混合負(fù)載和信號(hào)波形發(fā)生器可以降低LED 光引擎和LED 相控調(diào)光電路的測(cè)試負(fù)擔(dān)，提高LED 光引擎和LED 相控調(diào)光電路的兼容性，無(wú)需對(duì)每只LED 燈和LED 相控調(diào)光器與LED 燈的匹配性進(jìn)行特殊的測(cè)試。同時(shí)NEMA SSL 7A 也支持?jǐn)?shù)控調(diào)光器的應(yīng)用場(chǎng)合。

NEMA SSL 7A 不限定任何特定的照明產(chǎn)品或應(yīng)用場(chǎng)合，標(biāo)準(zhǔn)適用于全球各地的交流市電供電電壓范圍和供電頻率范圍，標(biāo)準(zhǔn)的兼容性意味著:

(1)前沿相控調(diào)光器和LED 光引擎配合使用不會(huì)影響其使用壽命;

(2)前沿相控調(diào)光器的工作性能滿足或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)特性;

(3)NEMA SSL 7A 標(biāo)準(zhǔn)具有前瞻性，用于設(shè)計(jì)和高質(zhì)量的調(diào)光器控制器產(chǎn)品和LED 光引擎(LLE)產(chǎn)品(含控制器集成或分離的LED 燈)。但是，不用于決定LED 前沿相控調(diào)光器與現(xiàn)有產(chǎn)品的兼容性，或與已有LED 光引擎(LLE)的兼容性。

在新構(gòu)建一個(gè)照明環(huán)境時(shí)，即可以選用LED 燈或LED 燈具，提供各種各樣的照明效果，而對(duì)一些照明環(huán)境的改進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)LED 燈的使用會(huì)有一些限制，應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)決定燈具的使用和對(duì)調(diào)光效果的要求。

具有Edison 燈座的LED 燈可以直接替代白熾燈或螺口CFL 燈的應(yīng)用場(chǎng)合，Edison 燈座的LED 燈集成了LED 驅(qū)動(dòng)電路，可以用于調(diào)光應(yīng)用場(chǎng)合。而另一些應(yīng)用場(chǎng)合的LED 燈的驅(qū)動(dòng)電路是外置的，一些LED燈具廠商可以提供不同的LED 驅(qū)動(dòng)電路形式。同樣的LED 驅(qū)動(dòng)電路可以采用不同的控制技術(shù)(例如調(diào)光或非調(diào)光應(yīng)用場(chǎng)合)。

有時(shí)用戶可以從LED 燈具廠商定制自己需要的LED 驅(qū)動(dòng)電路型式和燈具結(jié)構(gòu)。LED 調(diào)光電路應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)1%～100%的平滑調(diào)光范圍，恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)的LED 驅(qū)動(dòng)電路20%的最低調(diào)光下限有時(shí)不能滿足用戶的需求。LED 調(diào)光應(yīng)確保LED 燈具的工作壽命，否則就會(huì)降低LED 調(diào)光電路的使用價(jià)值。

SSL 7A 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、有關(guān)術(shù)語(yǔ)、LLE/調(diào)光器兼容的有關(guān)因素、前沿相控調(diào)光控制工作穩(wěn)定性的有關(guān)技術(shù)要求、LED 相控調(diào)光的技術(shù)背景、相控調(diào)光、調(diào)光器、額定功率、浪涌輸入電流、重復(fù)峰值工作電流、過(guò)載、重復(fù)峰值電壓、最小導(dǎo)通角、最大導(dǎo)通角、關(guān)態(tài)工作、測(cè)試、調(diào)光器通態(tài)工作電流、有關(guān)標(biāo)識(shí)、最高額定電壓、最低負(fù)載、關(guān)態(tài)、工作電壓、一個(gè)調(diào)光器帶多個(gè)LED 模組時(shí)的工作、功率因數(shù)、最大有效值電流、光輸出、使用調(diào)光器時(shí)的最大光輸出、使用調(diào)光器時(shí)的最小光輸出、調(diào)光器的關(guān)態(tài)工作、測(cè)試、調(diào)光器的通態(tài)工作和調(diào)光器的兼容性等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。

SSL 7A 規(guī)定，在調(diào)光器的最大與最小調(diào)光區(qū)間，在穩(wěn)態(tài)交流市電供電電壓下和白熾燈調(diào)光器一樣，LED 相控調(diào)光工作的音頻噪聲應(yīng)不大于24dBA，電流波峰因數(shù)(CF)不大于3。

4 LED 的調(diào)光應(yīng)用

照明設(shè)計(jì)師對(duì)光質(zhì)量和光色比較關(guān)心，但是在LED 的調(diào)光控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)調(diào)光發(fā)光閃爍、LED 燈具不工作的現(xiàn)象，而這些對(duì)照明質(zhì)量會(huì)有嚴(yán)重影響。

用戶對(duì)白熾燈和鹵鎢燈的調(diào)光應(yīng)用體驗(yàn)是調(diào)光過(guò)程平滑和調(diào)光連續(xù)，無(wú)調(diào)光發(fā)光閃爍和燈不工作的現(xiàn)象出現(xiàn)。對(duì)LED 調(diào)光應(yīng)用場(chǎng)合，LED 驅(qū)動(dòng)電路對(duì)LED 燈具的調(diào)光工作特性有很大影響，例如對(duì)LED燈具的調(diào)光發(fā)光閃爍、調(diào)光平滑工作特性等會(huì)有很大的影響。

LED 用以替換白熾燈，LED 燈接到白熾燈調(diào)光器有可能不正常工作，或降低調(diào)光控制器的工作壽命，重要的是需要知道LED 負(fù)載與調(diào)光控制器之間的工作特性關(guān)系。

調(diào)光器的過(guò)載對(duì)LED 燈的應(yīng)用場(chǎng)合是個(gè)問(wèn)題，大部分調(diào)光器不會(huì)工作于最大負(fù)載的工作條件(例如不會(huì)超過(guò)調(diào)光器的最大工作電壓、工作電流和工作功率)，具體使用時(shí)不會(huì)像直接用40 只15 W 的LED 燈直接替代600 W 的白熾燈應(yīng)用那么簡(jiǎn)單，需要考慮到相控調(diào)光器與LED 燈負(fù)載的匹配問(wèn)題。

5 調(diào)光發(fā)光閃爍的評(píng)價(jià)

調(diào)光發(fā)光閃爍的評(píng)價(jià)方法有發(fā)光閃爍百分比和發(fā)光閃爍指數(shù)兩種，常用的是發(fā)光閃爍百分比這個(gè)技術(shù)指標(biāo)。發(fā)光閃爍百分比和發(fā)光閃爍指數(shù)的定義分別由圖5 和公式(1)和公式(2)表示。

圖5 發(fā)光閃爍的有關(guān)參數(shù)定義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，不合理的LED 照明調(diào)光閃爍會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)病學(xué)的問(wèn)題、會(huì)引發(fā)癲癇病患者發(fā)病、頭疼、視覺模糊、眼睛疲勞、使人的運(yùn)動(dòng)變慢、降低視覺質(zhì)量和分散注意力等問(wèn)題。

合理的LED 照明調(diào)光會(huì)帶來(lái)節(jié)能、提高視覺效果、改善周圍環(huán)境效果、增加空間靈活性和照明效果滿足感等好處。

6 LED 相控調(diào)光主要性能指標(biāo)要求

由于人們用慣了白熾燈可控硅相控調(diào)光器，所以LED 調(diào)光器應(yīng)能兼容可控硅相控調(diào)光器。LED 相控調(diào)光主要技術(shù)指標(biāo)有調(diào)光范圍、調(diào)光工作特性曲線、調(diào)光工作效率、調(diào)光發(fā)光閃爍等。

(1)調(diào)光范圍常用最大亮度值的百分比表示，例如X%～XX%。使用中，隨著燈發(fā)光亮度的降低人眼瞳孔會(huì)放大，這樣人眼接收的光線并不很快隨燈發(fā)光亮度的降低而降低，如表示為最大發(fā)光亮度級(jí)的百分?jǐn)?shù)，則人眼接收的光是測(cè)得光百分?jǐn)?shù)的均方根值。例如，測(cè)得調(diào)光電平為最大發(fā)光值的10%，則人眼接收的光為的最大發(fā)光值，即所謂的心理物理學(xué)定律。

(2)在整個(gè)調(diào)光范圍應(yīng)平滑調(diào)光變化。

(3)燈在最低調(diào)光電平時(shí)啟動(dòng)燈發(fā)光應(yīng)很快達(dá)到預(yù)定的發(fā)光值。

(4)運(yùn)動(dòng)控制/有無(wú)人檢測(cè)/光電檢測(cè)等部件能控制LED 燈的工作。

(5)達(dá)到預(yù)定的調(diào)光電平后LED 燈發(fā)光應(yīng)穩(wěn)定，不應(yīng)有發(fā)光閃爍現(xiàn)象。

(6)在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)LED 燈、LED 驅(qū)動(dòng)電源和調(diào)光控制器不應(yīng)有可聞噪聲。

調(diào)光對(duì)大部分光源可以延長(zhǎng)使用壽命，因?yàn)樵诘桶l(fā)光亮度下燈的功耗和發(fā)熱降低了，有利于提高光源的使用壽命。

溫度對(duì)電子元器件的壽命有重要的影響，低溫對(duì)延長(zhǎng)電子元器件的壽命有幫助，LED 燈為燈和電子元器件一體的燈，所以整體燈的使用壽命受壽命最短電子元器件壽命制約。調(diào)光有利于降低LED 燈工作溫度，有利于LED 燈的光通量維持率和延長(zhǎng)LED 燈的使用壽命。

7 評(píng)價(jià)LED 相控調(diào)光系統(tǒng)時(shí)需注意的有關(guān)問(wèn)題

相控調(diào)光的主要技術(shù)問(wèn)題有調(diào)光死時(shí)間、爆米花效應(yīng)、調(diào)光閃爍、鬼影、調(diào)光瞬間出現(xiàn)、停止工作、音頻噪聲、不可互操作、中途出故障等。常見評(píng)價(jià)LED 前沿相控調(diào)光系統(tǒng)時(shí)需注意的有關(guān)問(wèn)題如下。

7.1 100%光輸出

當(dāng)調(diào)光器調(diào)至100%位置時(shí)和不可調(diào)光輸出時(shí)光輸出衰減了多少?

7.2 最大調(diào)光級(jí)

可調(diào)光LED 照明系統(tǒng)的最大調(diào)光級(jí)是多少?

7.3 調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍和光輸出特性

(1)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)范圍是多少?相應(yīng)LED的調(diào)光范圍是多少?

(2)在關(guān)斷調(diào)光器前在低光輸出調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)光光輸出不變的物理調(diào)節(jié)范圍是多少?

(3)調(diào)光器的物理調(diào)節(jié)位置、光輸出和加到LED燈負(fù)載上的電壓有效值(相位角、導(dǎo)通時(shí)間、占空比等)是否有關(guān)系?

7.4 調(diào)光器可調(diào)光的LED 數(shù)量范圍或最低負(fù)載

(1)調(diào)光器可以正常調(diào)光的LED 負(fù)載數(shù)量范圍是多少?

(2)白熾燈可控硅相控調(diào)光器可帶的最小負(fù)載和可控硅的維持電流有關(guān)，在最低LED 調(diào)光亮度時(shí)LED的最小工作電流能否滿足可控硅的維持導(dǎo)通工作電流要求。

7.5 浪涌電流

對(duì)白熾燈可控硅相控調(diào)光而言，它的浪涌輸入電流和白熾燈燈絲的冷電阻有關(guān)，對(duì)LED 調(diào)光負(fù)載這個(gè)浪涌輸入電流值要比白熾燈相控可控硅調(diào)光要小，以確?？煽毓柘嗫卣{(diào)光電路可靠工作。

7.6 最小調(diào)光范圍

在可控硅相控調(diào)光器的最低調(diào)光位置LED 是否還導(dǎo)通工作。

7.7 重復(fù)峰值電壓

可控硅的耐壓值有限，使用時(shí)應(yīng)確保LED 使用時(shí)的重復(fù)峰值電壓低于白熾燈可控硅相控調(diào)光器的重復(fù)峰值電壓，確?？煽毓柘嗫卣{(diào)光電路可靠工作。

7.8 LED 不發(fā)光的調(diào)光位置

實(shí)用中在可控硅相控調(diào)光器由最大到最小或由最小到最大調(diào)光時(shí)有可能在調(diào)光器的中間某個(gè)位置LED 不工作，使用中的LED 可控硅相控調(diào)光器是否有這種現(xiàn)象。

7.9 變色

在LED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有LED 發(fā)光顏色改變?如有，顏色變化如何?

7.10 調(diào)光閃爍

在LED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有調(diào)光閃爍現(xiàn)象?在LED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有頻閃效應(yīng)?

7.11 可聞噪聲

LED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光時(shí)是否有可聞噪聲?LED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光時(shí)可聞噪聲的出現(xiàn)是否和某些因素有關(guān)(例如LED 可控硅相控調(diào)光器帶的LED 燈的數(shù)量和ED 可控硅相控調(diào)光器調(diào)光位置等因素有關(guān))?

7.12 導(dǎo)通延遲時(shí)間

(1)導(dǎo)通延遲和調(diào)光級(jí)是否有關(guān)?

(2)LED 可控硅相控調(diào)光器的最大導(dǎo)通延遲時(shí)間是多少?

(3)LED 可控硅相控調(diào)光器的導(dǎo)通延遲在調(diào)光器的什么位置出現(xiàn)?

(4)當(dāng)不同的LED 產(chǎn)品接至LED 可控硅相控調(diào)光器時(shí)這個(gè)導(dǎo)通延遲時(shí)間是否變化?調(diào)光時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生調(diào)光“爆米花”效應(yīng)(調(diào)光光輸出閃爍)?

［1］ENERGY STAR?Program Requirements Product Specification for Lamps (Light Bulbs)Eligibility Criteria Version 1.0，DRAFT 3

［2］What You Need to Know about LED Flicker and Dimming，Light fair May 9 -11，2012，Michael Poplawski Pacific Northwest National Laboratory

［3］NEMA Standards Publication SSL 6 -2010，Solid State Lighting Incandescent Replacement Dimming，Approved 2011

［4］NEMA SSL 7A -2013 Phase Cut Dimming for Solid State Lighting:Basic Compatibility

［5］AN-9745，采用FL7730 的TRIAC 調(diào)光LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)指南，www.fairchildsemi.com

［6］Solid State Lighting and Lighting Controls Sections National Electrical Manufacturers Association Solid State Lighting for Incandescent Replacement—Best Practices for Dimming 2010 LSD 49 -2010

［7］路秋生，LED 的可控硅調(diào)光與應(yīng)用［J］.今日電子，2011(S):34～37