LED燈具調(diào)光效果不理想？教你如何改善

　　阻礙LED照明被廣泛采用的因素之一，就是它們同早先安裝的切相（phase-cut)調(diào)光器之間的不良匹配性能。

　　根據(jù)NEMA(國(guó)家電氣制造商協(xié)會(huì)）的數(shù)據(jù)，僅僅在北美地區(qū)，就安裝有1.5億只家用切相調(diào)光器—— 一種用于白熾燈光源的器件。白熾燈泡固有的熱惰性掩蓋了調(diào)光器們的那些不受歡迎的特性。相反，LED燈具，特別是其中的供電電路或者說(shuō)驅(qū)動(dòng)電路，不得不掙扎著應(yīng)付市場(chǎng)上這些切相調(diào)光器的不停變化和不穩(wěn)定的輸出。由此而產(chǎn)生的燈具與燈具之間，乃至調(diào)光器與調(diào)光器之間的大范圍變化，而這些對(duì)終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不可接受的，盡管通過(guò)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可以緩解這個(gè)問(wèn)題。

　　當(dāng)初，切相調(diào)光器是作為一種簡(jiǎn)單、高效而便宜的方法被設(shè)計(jì)用于白熾燈光源的亮度調(diào)節(jié)的。它通過(guò)限制提供給負(fù)載的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)光，只允許交流電網(wǎng)每個(gè)半周在一定百分比的時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)。通過(guò)改變調(diào)光器的位置，就能夠改變導(dǎo)通的周期，從而控制施加于負(fù)載的功率，最終實(shí)現(xiàn)光輸出的改變。

　　切相調(diào)光器

　　目前有兩種不同類(lèi)型的切相調(diào)光器（圖1)。前沿切相調(diào)光器延遲過(guò)零點(diǎn)之后的觸發(fā)角（firing angel)，將交流電每個(gè)半周的初始部分切除，而只讓后面的部分導(dǎo)通。后沿調(diào)光器工作于相反的方式，在交流電每半周的初始部分導(dǎo)通，而在后面部分截止。前沿調(diào)光器僅需使用一個(gè)有源器件——三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件——這使得它們的成本非常便宜，并因此而占據(jù)了整個(gè)北美市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

　　導(dǎo)致LED燈具性能的差異化的一個(gè)因素就是切相調(diào)光器產(chǎn)生的最大和最小觸發(fā)角存在著很大的不一致。不同的供應(yīng)商，以及不同的產(chǎn)品型號(hào)，其觸發(fā)角的變動(dòng)范圍都非常大。如此一來(lái)，其導(dǎo)通時(shí)間和施加給負(fù)載的功率也會(huì)出現(xiàn)變化。實(shí)際上，通過(guò)對(duì)市售的64只來(lái)自不同供應(yīng)商的調(diào)光器的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)其觸發(fā)角的最小值波動(dòng)范圍為17°~72°，而最大觸發(fā)角的波動(dòng)范圍為104°~179°(圖2)，——兩者都存在一個(gè)巨大的跨度。

　　下表中顯示了來(lái)自?xún)杉覐V泛使用的制造商的切相調(diào)光器所產(chǎn)生的觸發(fā)角的特定最大與最小值。所有的可調(diào)光LED燈具的電源供電電路，其調(diào)光器的導(dǎo)通周期都與LED的工作電流直接相關(guān)，并因此而影響著燈具的發(fā)光量。假設(shè)LED驅(qū)動(dòng)電路具有固定的調(diào)光曲線，恰如今天市場(chǎng)上所有驅(qū)動(dòng)電路所實(shí)現(xiàn)的那樣，那么針對(duì)不同的調(diào)光器，該驅(qū)動(dòng)電路的性能表現(xiàn)也會(huì)不一樣。此外，調(diào)光曲線上的任何非線性都會(huì)加劇調(diào)光器之間的性能差異。

　　觸發(fā)角的變動(dòng)

　　在設(shè)計(jì)切相調(diào)光電源電路的時(shí)候，制造商必須確定該電源電路在什么樣的觸發(fā)角產(chǎn)生最大和最小的LED工作電流。假如該電路具有一條固定的調(diào)光曲線，這就迫使他們要根據(jù)性能要求對(duì)特定的調(diào)光器做出一項(xiàng)或者多項(xiàng)妥協(xié)。

　　考慮這樣一種情況：電源電路的最小調(diào)光級(jí)為1%輸 出電流，對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角為30°,而最大調(diào)光級(jí)為100%， 對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角為158°，相應(yīng)的調(diào)光曲線示于圖3。假如電 源電路工作于表中所示的兩只調(diào)光器的情況，它就會(huì)完美 匹配那只Leviton調(diào)光器，在該調(diào)光器的最小物理位置達(dá)到最小的調(diào)光級(jí)，而在其最大物理位置達(dá)到最大的調(diào)光級(jí)。

　　然而，假如該電路與那只Lutron調(diào)光器協(xié)同工作，它就達(dá)不到最大100%的調(diào)光級(jí)。它將只能達(dá)到最多49%的調(diào)光水平，因?yàn)樵揕utron調(diào)光器產(chǎn)生不了寬達(dá)158°的觸發(fā)角。進(jìn)一步說(shuō)，它也實(shí)現(xiàn)不了1%的最小調(diào)光水平，因?yàn)樵揕utron調(diào)光器也實(shí)現(xiàn)不了低達(dá)30°的觸發(fā)角。在本例中，它將只能達(dá)到1.7%的調(diào)光水平。

　　另外一種方案是將最小與最大調(diào)光水平分別設(shè)置成 匹配Lutron調(diào)光器的45°和138°的觸發(fā)角，如圖4所示。在這個(gè)場(chǎng)景中，驅(qū)動(dòng)器將完美匹配Lutron調(diào)光器，但是 如果與Leviton調(diào)光器配合使用，依然會(huì)存在問(wèn)題。使用這些條件于該調(diào)光曲線，驅(qū)動(dòng)器將達(dá)到其所期望的1%的最小調(diào)光級(jí)，以及100%的最大調(diào)光級(jí)；但是，這樣一來(lái)，在調(diào)光器的底端會(huì)存在著12%的空程，在頂端則存在著16%的空程，在這些區(qū)域里，調(diào)光器依然可以移動(dòng)，但是不會(huì)產(chǎn)生調(diào)光效果。

　　一些工業(yè)指南，比如照明研究中心（LRC)的 ASSIST (固態(tài)照明系統(tǒng)及技術(shù)聯(lián)盟）項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)文檔，就建議在整個(gè)調(diào)光范圍之內(nèi)，任何位置的空程范圍不要超過(guò)10%，而LRC的進(jìn)一步研究表明，用戶(hù)發(fā)現(xiàn)有空程存在的時(shí)候，就會(huì)感覺(jué)很不舒服。前面的例子就不能滿足該建議的要求，不管是在調(diào)光行程的底端還是頂端。這個(gè)問(wèn)題，會(huì)隨著調(diào)光器的不同而表現(xiàn)得更嚴(yán)重。針對(duì)目前市場(chǎng)上的調(diào)光器的相位角范圍，既要避免輸出水平的改變，又要避免調(diào)光器的空程，是不可能僅僅使用一條固定的調(diào)光曲線就實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的支持的。

　　自適應(yīng)調(diào)光解決方案

　　為了消除不同調(diào)光器帶來(lái)的行為上的差異，驅(qū)動(dòng)器必須動(dòng)態(tài)調(diào)整其調(diào)光曲線，以適配當(dāng)前使用的調(diào)光器的專(zhuān)有特性。智能驅(qū)動(dòng)器能夠使用基于軟件的學(xué)習(xí)算法來(lái)適配相位角的變化。要支持市面上所有的調(diào)光器，智能驅(qū)動(dòng)器需要以一條缺省的調(diào)光曲線為基礎(chǔ)，根據(jù)其所觀測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行適配。該缺省調(diào)光曲線的最大與最小相位角應(yīng)該居于市面上所有可用調(diào)光器的最壞的限制條件之內(nèi)。將缺省值設(shè)置為在95°達(dá)到最大調(diào)光輸出，以及在75°時(shí)達(dá)到最小的調(diào)光輸出，就能夠滿足這個(gè)要求（圖5a)。然后，當(dāng)該驅(qū)動(dòng)器工作于某只切相調(diào)光器的時(shí)候，學(xué)習(xí)算法就可以監(jiān)視該調(diào)光器產(chǎn)生的相位角，如果相位角超出了當(dāng)前的限定值，就對(duì)該限定值及調(diào)光曲線進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

　　以上表中的Lutron調(diào)光器為例，當(dāng)該調(diào)光器被調(diào)節(jié)到其最大位置的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更寬的高達(dá)138°的相位角。驅(qū)動(dòng)器的學(xué)習(xí)算法發(fā)現(xiàn)該相位角大于其先前存儲(chǔ)的最大限定值，于是將該限定值和調(diào)光曲線進(jìn)行更新以適配這種情況。當(dāng)調(diào)光器被調(diào)節(jié)到最小位置的時(shí)候，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更小的低達(dá)45°的相位角，驅(qū)動(dòng)器的學(xué)習(xí)算法檢測(cè)到該相位角低于驅(qū)動(dòng)器先前存儲(chǔ)的最小限定值，于是對(duì)存儲(chǔ)的值及調(diào)光曲線進(jìn)行更新，以適配這種情況。

　　圖5b展示了該算法在完成對(duì)Lutron調(diào)光器的適配之后的調(diào)光曲線及其最大與最小限定值。該圖清楚顯示了在 調(diào)光器的最大位置，驅(qū)動(dòng)器的的調(diào)光輸出達(dá)到了100%且沒(méi)有任何空程；而在最小位置，驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光輸出達(dá)到了1%且沒(méi)有任何空程。在這個(gè)案例中，驅(qū)動(dòng)器完美匹配了與之配合工作的Lutron調(diào)光器。

　　連續(xù)適配

　　驅(qū)動(dòng)器可能需要對(duì)兩個(gè)情況進(jìn)行理想適配以適應(yīng)不同相位角的情況——安裝的時(shí)候以及調(diào)光器被更換的時(shí)候。為了簡(jiǎn)化安裝流程，并避免給用戶(hù)帶來(lái)復(fù)雜或耗時(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，驅(qū)動(dòng)器的自適應(yīng)調(diào)光算法可以被配置成永遠(yuǎn)激活狀態(tài)。通過(guò)連續(xù)監(jiān)視輸入的相位角，驅(qū)動(dòng)器就能夠確定是否需要更新其限定值和調(diào)光曲線。一旦它檢測(cè)到某種需要對(duì)最大或最小限定值進(jìn)行改變的差異值，它就把新檢測(cè)到的值存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器并重新計(jì)算調(diào)光曲線。這樣一來(lái)，終端用戶(hù)就可以如其所見(jiàn)般操作該調(diào)光器，而驅(qū)動(dòng)器將根據(jù)其收到的相位角輸入信息對(duì)調(diào)光器進(jìn)行無(wú)縫適配。

　　假如上文中的Lutron調(diào)光器被替換成了Leviton調(diào)光器，該學(xué)習(xí)過(guò)程就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)Leviton調(diào)光器被移到其最大和最小調(diào)光位置的時(shí)候，它會(huì)分別產(chǎn)生158°和 30°的相位角。驅(qū)動(dòng)器的自適應(yīng)調(diào)光算法檢測(cè)到這兩個(gè)新的限定值，對(duì)它存儲(chǔ)的值和調(diào)光曲線進(jìn)行調(diào)整以適配新的情況。圖5c顯示了在同Leviton調(diào)光器協(xié)作后修正的限定值和調(diào)光曲線。該曲線再一次完美匹配了新調(diào)光器的特性，沒(méi)有任何的空程，并且保持了同樣的最大及最小調(diào)光水平。

　　Light-Based Technologies公司在其Ultra Compatible系列LED驅(qū)動(dòng)器中使用了專(zhuān)有的軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)調(diào)光算法。這些驅(qū)動(dòng)器確保能夠消除調(diào)光器之間的任何差異，提供用戶(hù)所期待的一致的調(diào)光性能。