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(國家電氣制造商協(xié)會）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驅(qū)動電路，不得不掙扎著應(yīng)付市場上這些切相調(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，而這些對終端用戶來說是不可接受的，盡管通過實現(xiàn)自適應(yīng)的驅(qū)動電路設(shè)計可以緩解這個問題。

　　當初，切相調(diào)光器是作為一種簡單、高效而便宜的方法被設(shè)計用于白熾燈光源的亮度調(diào)節(jié)的。它通過限制提供給負載的功率來實現(xiàn)調(diào)光，只允許交流電網(wǎng)每個半周在一定百分比的時間處于導通狀態(tài)。通過改變調(diào)光器的位置，就能夠改變導通的周期，從而控制施加于負載的功率，最終實現(xiàn)光輸出的改變。

　　切相調(diào)光器

　　目前有兩種不同類型的切相調(diào)光器（圖1)。前沿切相調(diào)光器延遲過零點之后的觸發(fā)角（firing angel)，將交流電每個半周的初始部分切除，而只讓后面的部分導通。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通，而在后面部分截止。前沿調(diào)光器僅需使用一個有源器件——三端雙向可控硅開關(guān)元件——這使得它們的成本非常便宜，并因此而占據(jù)了整個北美市場的主導地位。

　　導致LED燈具性能的差異化的一個因素就是切相調(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，其觸發(fā)角的變動范圍都非常大。如此一來，其導通時間和施加給負載的功率也會出現(xiàn)變化。實際上，通過對市售的64只來自不同供應(yīng)商的調(diào)光器的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)其觸發(fā)角的最小值波動范圍為17°~72°，而最大觸發(fā)角的波動范圍為104°~179°(圖2)，——兩者都存在一個巨大的跨度。

　　下表中顯示了來自兩家廣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)動電路具有固定的調(diào)光曲線，恰如今天市場上所有驅(qū)動電路所實現(xiàn)的那樣，那么針對不同的調(diào)光器，該驅(qū)動電路的性能表現(xiàn)也會不一樣。此外，調(diào)光曲線上的任何非線性都會加劇調(diào)光器之間的性能差異。

　　觸發(fā)角的變動

　　在設(shè)計切相調(diào)光電源電路的時候，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)性能要求對特定的調(diào)光器做出一項或者多項妥協(xié)。

　　考慮這樣一種情況：電源電路的最小調(diào)光級為1%輸 出電流，對應(yīng)的觸發(fā)角為30°,而最大調(diào)光級為100%， 對應(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到最小的調(diào)光級，而在其最大物理位置達到最大的調(diào)光級。

　　然而，假如該電路與那只Lutron調(diào)光器協(xié)同工作，它就達不到最大100%的調(diào)光級。它將只能達到最多49%的調(diào)光水平，因為該Lutron調(diào)光器產(chǎn)生不了寬達158°的觸發(fā)角。進一步說，它也實現(xiàn)不了1%的最小調(diào)光水平，因為該Lutron調(diào)光器也實現(xiàn)不了低達30°的觸發(fā)角。在本例中，它將只能達到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。在這個場景中，驅(qū)動器將完美匹配Lutron調(diào)光器，但是 如果與Leviton調(diào)光器配合使用，依然會存在問題。使用這些條件于該調(diào)光曲線，驅(qū)動器將達到其所期望的1%的最小調(diào)光級，以及100%的最大調(diào)光級；但是，這樣一來，在調(diào)光器的底端會存在著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，但是不會產(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）項目所開發(fā)的指導文檔，就建議在整個調(diào)光范圍之內(nèi)，任何位置的空程范圍不要超過10%，而LRC的進一步研究表明，用戶發(fā)現(xiàn)有空程存在的時候，就會感覺很不舒服。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。這個問題，會隨著調(diào)光器的不同而表現(xiàn)得更嚴重。針對目前市場上的調(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)光曲線就實現(xiàn)對它們的支持的。

　　自適應(yīng)調(diào)光解決方案

　　為了消除不同調(diào)光器帶來的行為上的差異，驅(qū)動器必須動態(tài)調(diào)整其調(diào)光曲線，以適配當前使用的調(diào)光器的專有特性。智能驅(qū)動器能夠使用基于軟件的學習算法來適配相位角的變化。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)其所觀測到的數(shù)據(jù)來進行適配。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°達到最大調(diào)光輸出，以及在75°時達到最小的調(diào)光輸出，就能夠滿足這個要求（圖5a)。然后，當該驅(qū)動器工作于某只切相調(diào)光器的時候，學習算法就可以監(jiān)視該調(diào)光器產(chǎn)生的相位角，如果相位角超出了當前的限定值，就對該限定值及調(diào)光曲線進行相應(yīng)的調(diào)整。

　　以上表中的Lutron調(diào)光器為例，當該調(diào)光器被調(diào)節(jié)到其最大位置的時候，它會產(chǎn)生一個更寬的高達138°的相位角。驅(qū)動器的學習算法發(fā)現(xiàn)該相位角大于其先前存儲的最大限定值，于是將該限定值和調(diào)光曲線進行更新以適配這種情況。當調(diào)光器被調(diào)節(jié)到最小位置的時候，它會產(chǎn)生一個更小的低達45°的相位角，驅(qū)動器的學習算法檢測到該相位角低于驅(qū)動器先前存儲的最小限定值，于是對存儲的值及調(diào)光曲線進行更新，以適配這種情況。

　　圖5b展示了該算法在完成對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)動器的的調(diào)光輸出達到了100%且沒有任何空程；而在最小位置，驅(qū)動器的調(diào)光輸出達到了1%且沒有任何空程。在這個案例中，驅(qū)動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)動器可能需要對兩個情況進行理想適配以適應(yīng)不同相位角的情況——安裝的時候以及調(diào)光器被更換的時候。為了簡化安裝流程，并避免給用戶帶來復雜或耗時的學習過程，驅(qū)動器的自適應(yīng)調(diào)光算法可以被配置成永遠激活狀態(tài)。通過連續(xù)監(jiān)視輸入的相位角，驅(qū)動器就能夠確定是否需要更新其限定值和調(diào)光曲線。一旦它檢測到某種需要對最大或最小限定值進行改變的差異值，它就把新檢測到的值存儲到非易失存儲器并重新計算調(diào)光曲線。這樣一來，終端用戶就可以如其所見般操作該調(diào)光器，而驅(qū)動器將根據(jù)其收到的相位角輸入信息對調(diào)光器進行無縫適配。

　　假如上文中的Lutron調(diào)光器被替換成了Leviton調(diào)光器，該學習過程就會繼續(xù)進行。當Leviton調(diào)光器被移到其最大和最小調(diào)光位置的時候，它會分別產(chǎn)生158°和 30°的相位角。驅(qū)動器的自適應(yīng)調(diào)光算法檢測到這兩個新的限定值，對它存儲的值和調(diào)光曲線進行調(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)動器中使用了專有的軟件，來實現(xiàn)上述自適應(yīng)調(diào)光算法。這些驅(qū)動器確保能夠消除調(diào)光器之間的任何差異，提供用戶所期待的一致的調(diào)光性能。