深度解析：LED到底怎么調光？

從LED特性來說，固態照明可以很平滑的調光，但為了兼容傳統調光技術，就出現問題了。

　　調光經常用于酒店和劇院，用來營造氣氛，創造親密的感覺，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。

　　固態照明系統與技術聯盟（ASSIST）組織者，照明研究中心（LRC）主管，Nadarajah Narendran說：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，通過切斷每半個工頻周期內的輸入電流來減少光輸出。調光的本質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生在交流正弦波中，它們也被稱為切相調光器。

　　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）用于白熾燈和鹵素燈調光，它從正弦波的前相開始切斷，在切斷點位置，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光器，前相控制調光器會在開始導通的時候產生電流尖峰，此尖峰電流會引起蜂鳴聲和增加電子驅動器的壓力。

　　反相控制調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光器。反相控制調光器在輸入電流剛改變方向時導通，它允許電壓逐漸升高，然后在下一個半周期內切斷它。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，切斷發生在輸入電壓剛過零與輸入電流剛改變方向時。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：“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體材料層的通電電流來調節。

　　在美國能源署（DOE）建筑技術辦公室負責照明項目的經理詹姆斯.布羅德里克說：LED不像傳統光源，調光并不會影響LED的效率和壽命。事實上，調光可以降低它們的工作溫度，進而延長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（數據來源于美國電氣制造協會NEMA），高強度放電燈30%~60%的調光剩余（數據來源于美國照明產品信息工程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，都需要一個驅動器才能實現調光。因為LED都是低壓直流源，LED需要電子驅動器把交流轉換成可利用和可調節的直流電流。這些驅動器分為兩種調光方式。在脈寬調制（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?！巴ㄟ^LED的電流就等于LED開關周期內的電流平均值。”通過減少LED的通電時間可以降低平均電流或者有效電流，進而降低LED的亮度。

　LED和傳統光源一樣，也可以通過以電流恒定降低（CCR）方式調光，或者叫做模擬調光。CCR保持光源有連續的電流，但是通過減小電流幅值來實現調光?！肮廨敵稣扔谕ㄟ^LED器件的電流，”Narendran 說。

　　PWM和CCR各有優缺點。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，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調光使用快速開關通斷的方式，所以它需要更復雜更昂貴的電子驅動設備來產生足夠高頻率的電流脈沖來防止產生人眼可察覺的閃爍。

　　CCR調光方式更高效簡單，因為它所需的驅動設備更簡單更便宜。不像PWM，CCR不會產生由高頻開關引起的電磁干擾EMI。此外，CCR允許驅動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%以下的場合。“在非常低的電流情況下，LED無法正常工作，光輸出也不穩定。”Narendran 說。

　　兼容性問題

　　盡管驅動器決定著LED產品是否能調光，但驅動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“其他從交流母線電壓中分離調光信號的技術”，Brodrick表示。

　　對載有調光信息的調光器安裝專線可以提高調光兼容性，因為專線使得調光器跟燈具之間僅有很少或者沒有相互干擾。然而，這種調光系統更復雜更昂貴，這也是它們為什么常見于商業應用而非住宅應用的原因。

　　最常見的相位控制器是TRIAC調光器。NEMA估計在美國有1500萬家庭安裝這種調光器，由于白熾燈的禁用，這意味著大量舊的調光器等著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載從電網獲得電力產生光，電流，電壓和亮度之間的關系是線性和直接的，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料的。例如，在低調光水平，恒流或恒壓設計的LED驅動器可能會通過從電網獲得更多電流來補償切相部分——或者交流正弦波的中斷，使LED保持亮度，或者導致閃爍。

　　此外，并不是所有驅動架構都是一樣的。不同的電路意味著抽取功率、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。另外，“也許一個燈接一個調光器時工作正常，但當多個燈通過并聯的方式接一個調光器時，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照明產品制造商Ledzworld的創始人兼首席營銷官Jan Kemeling說。他建議避免把不同的LED接在同一個調光器上，因為這些LED燈的驅動器設計是不一樣的。

　　TRIAC的接線方式進一步加劇了兼容問題?，F在市面上或已經安裝的調光器大多數都是兩線的；也就是說，一根導線在供電的同時還要傳送調光電壓或者調光信號。這會干擾LED器件和調光器的功能，Brodrick說。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，即便在燈關滅的時候，內部電路仍然需要通電工作，盡管功率很小。對于白熾燈來說，這是可以在不觸發光源的情況下實現的。但是，LED不需要太多電力就能點亮，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部產品和市場高級經理Michael Skurla說。

　　LED驅動器與TRIAC之間的不兼容會導致許多問題，其中六個問題如下：

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

　驟降：當調暗時，光源完全關閉。

　　死區：當改變調光器導通角時，光輸出卻不跟隨改變。

　　殘影：當調光器完全關閉時燈仍然微亮。

　　噪聲。

　　閃爍。

　　閃爍、調光和色漂是專家和消費者對固態照明持謹慎態度的主要原因。但是，照明行業正在從各個方面去解決調光問題。去年發布的《NEMA SSL 7A-2013 固態照明的切相調光：基本兼容性》試圖通過制定調光器和LED產品的設計和測試準則來使LED切相調光兼容性問題降至最低。然而，標準只是針對未來的技術，而不是試圖規范過去的調光及照明設備。