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如何改善LED灯具调光效果

来源:ofweek 日期:2017/5/31 14:13:02 浏览量:... 分享到:
LED驱动器中的自适应算法,使得SSL系统的设计可以依据推荐的调光性能来实施,包括一系列利用 了各种不同调光方案的切相调光器,Tom Thornton(Light-Based Technologies公司高级应用工程师)解释道。

阻碍LED照明被广泛采用的因素之一,就是它们同早先安装的切相(phase-cut)调光器之间的不良匹配性能。

  根据NEMA(国家电气制造商协会)的数据,仅仅在北美地区,就安装有1.5亿只家用切相调光器—— 一种用于白炽灯光源的器件。白炽灯泡固有的热惰性掩盖了调光器们的那些不受欢迎的特性。相反,LED灯具,特别是其中的供电电路或者说驱动电路,不得不挣扎着应付市场上这些切相调光器的不停变化和不稳定的输出。由此而产生的灯具与灯具之间,乃至调光器与调光器之间的大范围变化,而这些对终端用户来说是不可接受的,尽管通过实现自适应的驱动电路设计可以缓解这个问题。

  当初,切相调光器是作为一种简单、高效而便宜的方法被设计用于白炽灯光源的亮度调节的。它通过限制提供给负载的功率来实现调光,只允许交流电网每个半周在一定百分比的时间处于导通状态。通过改变调光器的位置,就能够改变导通的周期,从而控制施加于负载的功率,最终实现光输出的改变。

  切相调光器

  目前有两种不同类型的切相调光器(图1)。前沿切相调光器延迟过零点之后的触发角(firing angel),将交流电每个半周的初始部分切除,而只让后面的部分导通。后沿调光器工作于相反的方式,在交流电每半周的初始部分导通,而在后面部分截止。前沿调光器仅需使用一个有源器件——三端双向可控硅开关元件——这使得它们的成本非常便宜,并因此而占据了整个北美市场的主导地位。

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  导致LED具性能的差异化的一个因素就是切相调光器产生的最大和最小触发角存在着很大的不一致。不同的供应商,以及不同的产品型号,其触发角的变动范围都非常大。如此一来,其导通时间和施加给负载的功率也会出现变化。实际上,通过对市售的64只来自不同供应商的调光器的调查,我们发现其触发角的最小值波动范围为17°~72°,而最大触发角的波动范围为104°~179°(图2),——两者都存在一个巨大的跨度。

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  下表中显示了来自两家广泛使用的制造商的切相调光器所产生的触发角的特定最大与最小值。所有的可调光LED灯具的电源供电电路,其调光器的导通周期都与LED的工作电流直接相关,并因此而影响着灯具的发光量。假设LED驱动电路具有固定的调光曲线,恰如今天市场上所有驱动电路所实现的那样,那么针对不同的调光器,该驱动电路的性能表现也会不一样。此外,调光曲线上的任何非线性都会加剧调光器之间的性能差异。

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  触发角的变动

  在设计切相调光电源电路的时候,制造商必须确定该电源电路在什么样的触发角产生最大和最小的LED工作电流。假如该电路具有一条固定的调光曲线,这就迫使他们要根据性能要求对特定的调光器做出一项或者多项妥协。

  考虑这样一种情况:电源电路的最小调光级为1%输 出电流,对应的触发角为30°,而最大调光级为100%, 对应的触发角为158°,相应的调光曲线示于图3。假如电 源电路工作于表中所示的两只调光器的情况,它就会完美 匹配那只Leviton调光器,在该调光器的最小物理位置达到最小的调光级,而在其最大物理位置达到最大的调光级。

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  然而,假如该电路与那只Lutron调光器协同工作,它就达不到最大100%的调光级。它将只能达到最多49%的调光水平,因为该Lutron调光器产生不了宽达158°的触发角。进一步说,它也实现不了1%的最小调光水平,因为该Lutron调光器也实现不了低达30°的触发角。在本例中,它将只能达到1.7%的调光水平。

  另外一种方案是将最小与最大调光水平分别设置成 匹配Lutron调光器的45°和138°的触发角,如图4所示。在这个场景中,驱动器将完美匹配Lutron调光器,但是 如果与Leviton调光器配合使用,依然会存在问题。使用这些条件于该调光曲线,驱动器将达到其所期望的1%的最小调光级,以及100%的最大调光级;但是,这样一来,在调光器的底端会存在着12%的空程,在顶端则存在着16%的空程,在这些区域里,调光器依然可以移动,但是不会产生调光效果。

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  一些工业指南,比如照明研究中心(LRC)的 ASSIST (固态照明系统及技术联盟)项目所开发的指导文档,就建议在整个调光范围之内,任何位置的空程范围不要超过10%,而LRC的进一步研究表明,用户发现有空程存在的时候,就会感觉很不舒服。前面的例子就不能满足该建议的要求,不管是在调光行程的底端还是顶端。这个问题,会随着调光器的不同而表现得更严重。针对目前市场上的调光器的相位角范围,既要避免输出水平的改变,又要避免调光器的空程,是不可能仅仅使用一条固定的调光曲线就实现对它们的支持的。

  自适应调光解决方案

  为了消除不同调光器带来的行为上的差异,驱动器必须动态调整其调光曲线,以适配当前使用的调光器的专有特性。智能驱动器能够使用基于软件的学习算法来适配相位角的变化。要支持市面上所有的调光器,智能驱动器需要以一条缺省的调光曲线为基础,根据其所观测到的数据来进行适配。该缺省调光曲线的最大与最小相位角应该居于市面上所有可用调光器的最坏的限制条件之内。将缺省值设置为在95°达到最大调光输出,以及在75°时达到最小的调光输出,就能够满足这个要求(图5a)。然后,当该驱动器工作于某只切相调光器的时候,学习算法就可以监视该调光器产生的相位角,如果相位角超出了当前的限定值,就对该限定值及调光曲线进行相应的调整。

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  以上表中的Lutron调光器为例,当该调光器被调节到其最大位置的时候,它会产生一个更宽的高达138°的相位角。驱动器的学习算法发现该相位角大于其先前存储的最大限定值,于是将该限定值和调光曲线进行更新以适配这种情况。当调光器被调节到最小位置的时候,它会产生一个更小的低达45°的相位角,驱动器的学习算法检测到该相位角低于驱动器先前存储的最小限定值,于是对存储的值及调光曲线进行更新,以适配这种情况。

  图5b展示了该算法在完成对Lutron调光器的适配之后的调光曲线及其最大与最小限定值。该图清楚显示了在 调光器的最大位置,驱动器的的调光输出达到了100%且没有任何空程;而在最小位置,驱动器的调光输出达到了1%且没有任何空程。在这个案例中,驱动器完美匹配了与之配合工作的Lutron调光器。

  连续适配

  驱动器可能需要对两个情况进行理想适配以适应不同相位角的情况——安装的时候以及调光器被更换的时候。为了简化安装流程,并避免给用户带来复杂或耗时的学习过程,驱动器的自适应调光算法可以被配置成永远激活状态。通过连续监视输入的相位角,驱动器就能够确定是否需要更新其限定值和调光曲线。一旦它检测到某种需要对最大或最小限定值进行改变的差异值,它就把新检测到的值存储到非易失存储器并重新计算调光曲线。这样一来,终端用户就可以如其所见般操作该调光器,而驱动器将根据其收到的相位角输入信息对调光器进行无缝适配。

  假如上文中的Lutron调光器被替换成了Leviton调光器,该学习过程就会继续进行。当Leviton调光器被移到其最大和最小调光位置的时候,它会分别产生158°和 30°的相位角。驱动器的自适应调光算法检测到这两个新的限定值,对它存储的值和调光曲线进行调整以适配新的情况。图5c显示了在同Leviton调光器协作后修正的限定值和调光曲线。该曲线再一次完美匹配了新调光器的特性,没有任何的空程,并且保持了同样的最大及最小调光水平。

  Light-Based Technologies公司在其Ultra Compatible系列LED驱动器中使用了专有的软件,来实现上述自适应调光算法。这些驱动器确保能够消除调光器之间的任何差异,提供用户所期待的一致的调光性能。

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