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LED调光与相控调光

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-01-08  来源:《照明》  作者:路秋生  
1 LED照明调光控制
 
相对于其它照明电光源(例如荧光灯、HID灯和白炽灯等)LED具有易于调光控制的优点,LED的调光控制范围较荧光灯和HID灯要大得多,可以实现0~100%的宽范围调光控制。而照明调光在室内外照明、舞台照明、LCD显示器背光照明和会议室照明等应用场合都有很好的应用,调光可以营造舒适的照明环境,节能效果明显。
 
LED的常用调光方法有线性调光、分段调光、PWM调光、相控调光(前沿、后沿)和智能调光(DALI、Zigbee、DMX、KNX、EIB等)等几种。但是都利用了LED的正向工作电流与发光输出的关系进行的。
 
实践证明,LED调光可以做到和白炽灯一样的调光控制平滑性,并且可以做到灵活的调光控制,如可以实现无线遥控调光控制,智能调光控制等。
 
现常用的调光控制技术有DALI(数字可寻址照明接口)、0~10V、DMX和其它的调光控制技术(和电源AC供电分离的调光通信控制信号)等。
 
下文主要介绍相控调光的工作原理、LED和白炽灯相控调光工作的不同点,这些不同点在LED相控调光过程中会出现的所谓调光兼容性等有关问题。
 
LED光源和相控调光器之间的兼容性是个不易评价的技术问题,确保LED相控调光与相控调光器的兼容性会增加LED驱动电路设计的复杂性,也会增加调光系统设计的复杂性。 
 
用LED照明替代白炽灯/卤钨灯照明,实现节能和照明系统的长寿命工作,这就存在LED调光控制和现有调光控制系统的兼容性问题。
 
2 相控调光的工作原理与实现
 
相控调光按电路实现方式可以分为前沿相控和后延相控调光两种控制方式(又叫正切或反切、前切或后切相控调光),前沿相控一般采用半控器件可控硅用作开关斩波器件,后沿相控调光一般采用全控开关器件(如IGBT、MOSFET或双极型晶体管BJT)用作开关斩波器件,前沿相控调光电路结构简单,造价低、使用方便、但是EMI和EMC干扰大,电路功率因数(PF)值低。前沿相控调光的波形和后沿相控调光的波形如图1所示。
 
通常采用可控硅来实现对普通的白炽灯和卤钨灯调光。由于白炽灯和卤钨灯是一种纯电阻性发光器件,不要求输入电压一定是正弦波,它的工作电流波形和工作电压波形一样,所以无论工作电压波形如何偏离正弦波,只要改变输入电压的有效值,就可以实现白炽灯和卤钨灯的调光控制。
 
采用可控硅相控调光是通过控制可控硅的导通角实现对输入交流市电正弦波的前沿波形切割(前沿相控),达到改变加到灯负载有效电压值目的。
 
并且,LED前沿相控调光在LED的发光亮度调到很低时会致使可控硅工作不稳定的问题,需在前沿相控调光电路中加泄放电路,确保相控调光可控硅可靠工作,一般这个泄放电流在10mA(具体值和相控调光可控硅的型号有关),这样,泄放电路就会消耗1~2W的功率,降低调光电路的工作效率,并且泄放电路还会产生热量。
 
LED前沿相控调光还会由于LED驱动电源输入端的LC滤波器使电路产生振荡,这种振荡对于白炽灯和卤钨灯调光不是大问题,因为白炽灯和卤钨灯的热惯性使得人眼根本看不出这种振荡。但是对LED的驱动电源就会产生音频噪声和LED发光闪烁的问题。
 
图2为后沿相控调光电路的一种实现电路工作原理图,从图中可见,电路结构较可控硅前沿相控调光电路要复杂许多,电路中采用了全控器件IGBT用作交流输入市电的斩波控制。
 
后沿相控调光的斩波波形较前沿相控调光的斩波波形变化较为平滑,后沿相控调光的EMI和EMC较前沿相控调光电路要低。
 
LED相控调光,改变了交流输入市电供电正弦波的波形,降低了电路的功率因数(PF),通常会使电路功率因数(PF)值低于0.5,并且导通角越小功率因数(PF)越差。同样,非正弦的电压波形加大了电路的总谐波失真系数(THD),会产生严重的干扰信号(EMI和EMC)。
 
3 两线式相控调光器与三线式相控调光器
 
3.1 两种调光器概述
 
大多数壁式相控调光器仅需两个连接端子(其中一个为地接线端子),一个接线端子用于输入供电连接,常叫做“火线”或“相线”,另一个接线端子为输出端子,常被叫做“负载端子”或“调光端子”。这种“两线式”相控调光器可以直接替换壁式开关,交流输入市电供电接到了相控调光器,交流输入市电同时为相控调光器和灯负载供电,灯负载的供电电压为相控调光器的相控调光输出电压。
 
实用中,大多数负载是接于火线与零线(地线)之间,电光源也不例外。但是,对两线式相控调光器是个例外。使用中,两线式相控调光器串接于交流输入市电供电和灯负载之间,为相控调光灯负载供电的电压是经过相控调光器的相控调光输出电压,而不完全是交流输入市电电压。当相控调光器导通时,交流输入市电供电为灯负载供电,相控调光器耗电不多,但是,相控调光器的控制功能有限,不便于提供更多高级的控制功能(例如灯的遥控控制、光输出水平指示或无线控制等控制功能)。当相控调光器关断时,串联电路连接结构使得相控调光电路没有电源供电电流通路。
 
三线式相控调光器加了连接于地线或中线(一般为白色)的连线,这使得为调光器的内部电路供电和交流输入市电相位同步变得很方便。三线式相控调光器可以提供较两线式相控调光器更多的控制功能(例如,灯的遥控控制、光输出水平指示或无线控制等控制功能)。但是,三线相控调光器对交流输入市电供电线连接有地线连接的要求。
 
3.2 LED相控调光需注意的有关问题
 
(1)调光负载
 
对所有的相控调光器而言都有最小和最大额定工作功率的技术指标要求,这个技术指标决定了调光器的调光范围,壁式相控调光器的调光负载功率范围一般为40~600W,对更大的调光负载功率范围可以高达1000W或2000W.
 
(2)LED相控调光与白炽灯相控调光的不同
 
LED与白炽灯光源有许多的不同点。首先,白炽灯可以由交流输入市电直接供电,但是,LED需要有一个驱动电源,而且一般采用恒流源供电。
 
LED驱动电源可以和LED光源集成,也可以和LED光源分开安放,LED的工作电流可以很方便地加以控制。
 
  但是,LED采用相控调光问题可能会多些,LED相控调光工作特性和LED驱动电路的结构有关,并且还和相控调光器的电路结构(相控调光器的型号)等因素有关。LED驱动电路实现方法很多,市场上可见的相控调光器类型也很多(据NEMA统计,目前在世界上有200多种前沿相控调光器在使用)。LED相控调光存在LED驱动电源与相控调光器之间的兼容性问题。
 
(3)重复峰值电流和有效调光负载
 
流过交流市电供电负载的平均功率可以通过交流输入市电电压有效值和流过负载的交流电流有效值和功率因数值计算,流过白炽灯负载的电压和电流相位同相位,电压和电流波形相同,这样对白炽灯负载而言,电路的功率因数为1,灯负载功率和输入电流、电压的关系很简单。但是,LED驱动电源是一个功率变换器,将输入交流市电供电变换为适用于为LED负载供电的电源。构建LED驱动电源的方式很多,不同的驱动电源电路实现方法不同,共同点就是把交流输入市电变换为适合于为LED供电的电源,这也成为了LED驱动电源和相控调光器兼容的问题。
 
  如图3所示,LED驱动电源的输入重复峰值交流电流比白炽灯要大许多,LED的输入重复峰值电流一般要比交流输入电流的有效值大5~10倍。对有些低功率因数的LED驱动电源而言,LED驱动电源的输入重复峰值电流还会更大。大的重复输入峰值电流会引起音频噪声、射频干扰(RFI)等问题,最明显的影响就是加大了相控调光器的负载。
 
(4)功率因数(PF)
 
功率因数(PF)这个技术指标可以衡量负载偏离电阻性负载的程度,功率因数(PF)的取值范围为0~1.相控调光器的负载能力和负载的最小和最大功率变化范围有关,相控调光器的最大额定负载能力和在正常工作条件下加到相控调光器中有关元器件的电应力有关,加到相控调光器中元器件的电应力和流入的电流波形、重复频率和幅值等因素有关。但是,LED驱动电源的输入电流和电压的波形和相位不同,额定功率和功率因数(PF)有关,所以,LED驱动电源的功率和输入平均电流幅度都不能很好的反应其额定负载能力。
 
有些相控调光器生产厂商在他们的产品中给出基于LED特定负载的最大负载功率值,基于最坏LED负载工作条件下的负载功率值。由于LED驱动电源的额定负载功率比白炽灯的负载功率低,所以,有些LED相控调光器生产厂商把壁式相控调光器的额定功率值降低为3~4倍的负载额定功率值使用。
 
例如,适用于白炽灯负载相控调光器的最大额定功率为600W,但是对LED相控调光而言只需要用到150W就可以了(600/4)。
 
有些LED灯相控调光器基于特定的相控调光器或在最坏壁式相控调光器工作条件,给出了一个相控调光器可以带的LED灯最大数量这个技术指标。例如,在600W额定功率相控调光器工作条件下不要带多余8个7W的LED灯负载,这时的降额因子为10(600/56).
 
(5)相控调光负载和相控调光器之间的干扰
 
由于多加了一条地线,三线式相控调光器的控制功能比两线式相控调光器的功能强,控制范围宽,LED负载的工作特性不同于白炽灯负载,所以会出现一些白炽灯调光没有的问题,这会限制相控调光器带的LED灯负载数量。
 
在LED正向工作电流被调的很低时(例如关态),由于通过相控调光器的电流很小,有可能使相控调光器不能正常工作,在相控调光器要实现更多的高级控制功能时问题会更严重,会致使相控调光器不稳定工作,LED发光闪烁,出现“鬼影”现象。
 
现在,在LED相控调光器中通过加泄放电路的办法,可以有效地解决LED相控调光器在LED低发光亮度时LED发光闪烁和相控调光器可靠工作的问题。但是,这是以降低LED相控调光电路的工作效率为代价的。
 
4 NEMA SSL-7A标准
 
LED相控调光在调光过程中存在的问题需要加以解决,特别是对两线式LED相控调光器而言。最好的解决方法就是解决好LED灯负载与LED相控调光器的兼容性问题。2011年晚期,NEMA成立了SSL-7标准化委员会,最终导致了SSL-7A标准(SSL照明相控调光兼容性)的推出,在SS-7A中规定了LED光源与相控调光器的兼容性有关问题。
 
在SSL-7A中规范了LED光引擎(LLEs)和前沿两线式相控调光器的有关技术性能要求,也规范了产品兼容性的有关技术要求,强调了有关技术问题的挑战。须注意的是,NEMA SSL-7A是关于前沿相控调光器设计和质量合格产品判定的标准,不涉及非兼容的LLE和后沿相控调光器产品。如果LLE或前沿相控调光器满足以下的有关技术要求,就可以认定是NEMA SSL-7A的兼容产品。
 
(1)LLE(LED光引擎)和相控调光器的工作可靠性不会由于两者结合使用而受到影响。
 
(2)LLE(LED光引擎)和相控调光器的技术性能满足或超过SSL-7A给出的有关要求,满足SSL-7A标准的有关技术性能测试。据计划,以后在适当的时间还会推出SSL-7B标准,用于规范SSL-7A中没有包含的有关内容,例如调光曲线等问题。
 
LED光引擎(LLEs)的定义是一个或多个LED模组和控制装置(集成或遥控)与交流输入市电供电连接(即一个或多个LED模组和LED驱动电源)。LED光引擎(LLEs)定义了一个宽范围的LED照明产品,含螺口LED灯到含分离LED驱动电源的照明装置,不含不直接连接到交流输入市电供电的低电压供电LED灯,但是含低电压供电和降压变压器组合的LED光源可以被认定是LLE产品。
 
兼容的调光器应根据NEMA SSL-7A基于最坏LED光源技术特性给出以瓦为单位(W)的最大额定功率值,避免LED光源和两线式相控调光器之间的相互干扰而出现不希望的照明效果,并且应给出可以得到的最小调光输出参数。
 
兼容性有两个说法。他们是针对可以和任何类型的LED光引擎(LLE)使用的类型1调光器,即所谓的“通用型调光器”(如图4所示),和调光器内部电路需要附加供电电源的类型2调光器,类型2调光器必须和所使用的LLE匹配,并在调光器关断工作状态也能满足有关技术要求。
 
类型2的LLE可以和类型1调光器和类型2调光器通用,类型2的LLE有通用的含义,单个类型1的LLE不能满足类型2调光器在关态的有关技术要求,这可以通过类型2调光器连接多个类型1的LLE来实现。
 
实用中,任何改变LED光源或相控调光器的做法都有可能影响相互之间的兼容性,对“可调光”这个概念,目前业界没有一个标准的定义,对白炽灯而言相控调光可以很方便和平滑的调到1%的正常光输出,而LED相控调光需考虑LED驱动电路和相控调光器的匹配问题,才可以获得和白炽灯类似的调光效果。但是,今天LED生产厂商推出的产品并不能确保在整个调光范围内都有很好的调光工作特性,例如对最低调光输出这个技术指标,不同的LED照明产品生产厂商给出不同的技术指标参数。
 
在设计LED相控调光产品时,需参考LED生产厂家给出的有关技术指标,如果LED驱动电源或LED灯生产厂家给出的最低调光输出技术指标为20%,如果要求做出的相控调光产品的最低调光输出值低于20%就会有困难。
 
为确保做出的LED相控调光产品性能可靠,需多做实验,对多种LED灯具和相控调光器做实验,测试最大和最小光输出调光的平滑控制特性。
 
使用中,在同一个调光控制区域,同一调光控制系统不会同时控制前沿相控和后沿相控电路工作,这有可能使照明系统中的LED、驱动电路或调光器发生故障。实用中应避免这种混合使用相控调光器的可能性。但是,不同光源的调光混合使用(例如LED PAR38灯、卤钨灯和低电压卤钨灯)可能会产生不同的调光照明效果,这些都需通过试验加以验证。
 
5 已发布的有关NEMA SSL标准
 
已发布的有关NEMA SSL标准有以下几种。
(1)NEMA SSL 1
NEMA SSL 1(Electronic Drivers for LED Devices,Arrays or Systems)由NEMA固态照明(SSL)部门2010年推出,涵盖SSL/LED产品的驱动电路,主要有驱动电路的额定值、工作特性和标识等内容。SSL1给出了EMI技术要求、音频噪声和工作效率的计算等内容。适用于非集成通用照明应用场合的LED器件、阵列和系统驱动电路的质量和工作性能要求。
(2)NEMA SSL 3
NEMA SSL 3(High-Power White LED Binning for General Illumination)由NEMA固态照明(SSL)部门2011年推出,是NEMA制定出用于通用照明应用场合的大功率白光LED分级、筛选标准,用于LED集成进照明产品时LED发光颜色变化分级一致性判定。
(3)NEMA SSL 4
NEMA SSL 4(Retrofit Lamps:Minimum Performance Requirements)由NEMA固态照明(SSL)部门2012年推出,用于SSL改型灯的最低技术性能要求应用场合。标准给出了集成LED灯,含光色、光输出、工作电压、流明维持率、尺寸和有关电性能灯技术性能要求。
(4)NEMA SSL 6
NEMA SSL 6(Solid State Lighting for Incandescent Replacement-Dimming)由NEMA固态照明(SSL)部门2010年02月03日通过,用于白炽灯替换的SSL照明调光应用场合,主要用于集成改型螺口灯座LED灯调光,标准重点讨论了调光器与LED灯的相互作用,介绍了确保终端用户的良好调光控制特性和可靠使用有关内容。
(5)NEMA SSL 7A
NEMA SSL 7A-2013(Phase Cut Dimming for Solid State Lighting: Basic Compatibility)由NEMA固态照明(SSL)部门2013年4月18日通过,主要讨论了关于固态照明(SSL)相控调光基本兼容性有关问题。预计在今后的适当时间会推出NEMA SSL 7B标准,添加NEMA SSL 7A还未讨论到的有关问题,并提出关于相控调光曲线的有关技术要求。
有关NEMA SSL标准和相关内容如下表所示。
 
6 相控调光在使用时需注意的有关问题
 
(1)对壁式安装应用的应用场合,NEMA SSL-7A 要求调光器和LED光源相匹配,匹配可以确保LED灯或灯具兼容性的有关技术要求。
 
(2)参考LED光源或调光控制器生产厂商推荐产品中指定LED光源和调光控制系统组合,实用中可以参考厂商给出的LED光源与调光器兼容性实例报告。使用中LED光源调光工作特性和调光器生产厂商生产的调光器调光工作质量有关。
 
(3)针对LED光源生产厂商推荐的具体调光器(例如前沿或后延相控调光器)进行测试,确保调光器有一定的容量范围,调光控制效果的接受程度很大程度上和生产厂商对调光质量的判断有关。
 
(4)逐步实验调光器的工作特性可以提高获得良好调光控制特性,对每种调光器和LED灯负载的匹配特性测试应有记录。但是,这是一个花费时间和费用的过程。
 
参考文献
1 Pacific Northwest National Laboratory,DOE US,Dimming LEDs with Phase-Cut Dimmers: The Specifier’s Process for Maximizing Success,October 2013
2 NEMA SSL 7A-2013,Phase Cut Dimming for Solid State Lighting: Basic Compatibility,Approved April 18,2013
3 NEMA SSL 6-2010,Solid State Lighting for Incandescent Replacement Dimming
4 NEMA SSL 4-2012,Retrofit Lamps: Minimum Performance Requirements
5 NEMA SSL 3-2011,High-Power White LED Binning for General Illumination
6 NEMA SSL 1-2010,Electronic Drivers for LED Devices, Arrays or Systems
7 Solutions for mobile and portable LED lighting, www.st.com
8 Building technologies office solid-state lighting technology fact sheet,DOE US
 

 
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