Светодиодное затемнение: что нужно знать

Обзор отчета

"LED Dimming: What You Need to Know" представляет собой всеобъемлющее руководство, опубликованное программой DOE SSL 10 декабря 2012 года. В отчете представлена подробная информация о проблемах, технологиях и передовых методах регулирования яркости светодиодных источников света, с особым вниманием к вопросам совместимости с диммерами с фазовой отсечкой.

Ключевой вывод: Регулировка яркости светодиодов в реальных условиях может быть сложной задачей, особенно с диммерами с отсечкой фазы. Широкий разброс характеристик светодиодных источников и диммеров означает, что мало что можно предполагать, не все заявления соответствуют действительности, и производительность трудно предсказать без тестирования.

Ключевые показатели

>150M

Фазоимпульсные диммеры, установленные в США

2 Методы

Основные подходы к диммированию светодиодов

7.5-16.3%

Диапазон процента мерцания в тестах

20%

THD-I limit for loads

Ключевые выводы: краткий обзор

Светодиоды по своей природе регулируемы

Регулировка яркости светодиодов может осуществляться методами снижения постоянного тока (CCR/аналоговый) или широтно-импульсной модуляции (PWM). Каждый подход имеет различные компромиссы в отношении производительности, эффективности и потенциальных проблем, таких как сдвиг цвета или мерцание.

Светодиодам требуются драйверы

В отличие от ламп накаливания, которые работают как простая резистивная нагрузка, светодиоды требуют драйверов для преобразования переменного напряжения в стабилизированный постоянный ток. Конструкция драйвера и его совместимость с оборудованием для диммирования в значительной степени определяют качество затемнения.

Проблемы фазового диммирования

Фазовые диммеры были разработаны для ламп накаливания и могут создавать серьезные проблемы совместимости со светодиодной нагрузкой. К ним относятся мертвый ход, внезапное включение, пропадание, мерцание, шлейф и акустический шум.

Регулировка яркости влияет на качество электроэнергии

Регулировка яркости светодиодных источников может изменять поведение драйвера, что потенциально снижает эффективность, усиливает мерцание и ухудшает качество электроэнергии, оцениваемое по показателям Power Factor и Total Harmonic Distortion.

Несоответствия передаточных функций

Разные производители используют различные управляющие и передаточные функции источников света (линейные, квадратичные, S-образные). Несоответствия между передаточными функциями диммера и светодиодного источника может привести к непредсказуемому поведению при затемнении.

Правила нагрузки изменились

Традиционные правила нагрузки диммеров, основанные на мощности ламп накаливания, неприменимы к светодиодам. Минимальные и максимальные требования к нагрузке значительно различаются в зависимости от комбинации диммера и светодиодного источника.

Обзор содержания

Зачем затемнять светодиодные источники?

Диммирование светодиодных источников дает множество преимуществ помимо простого управления атмосферой:

Дополнительная экономия энергии сверх того, что достигается за счет перехода на LED-технологию
Повышение эффективности зрительного восприятия за счет адаптации уровня освещенности под конкретные потребности
Улучшенная атмосфера и гибкость пространства
Меньшее количество источников света определять, обслуживать и хранить на складе
Demand response load shedding Возможности
Потенциальное повышение эффективности и срока службы источника света

Проблемы регулировки яркости

Несмотря на преимущества, диммирование светодиодных источников представляет несколько существенных проблем:

Широкий разброс характеристик в характеристиках источников LED и диммеров
Мало что можно предположить на основе исторических практик с лампами накаливания
Не все заявления равнозначны из-за отсутствия стандартных процедур тестирования
Сложно предсказать производительность без фактического тестирования
Взаимодействия на уровне схемотехники между драйверами светодиодов и диммерами создают проблемы совместимости

Основы диммирования светодиодов

Понимание этих фундаментальных концепций крайне важно для успешной реализации диммирования светодиодов:

Ключевая концепция: Светодиоды принципиально отличаются от ламп накаливания. Лампы накаливания ведут себя как простые резистивные нагрузки, тогда как светодиоды представляют собой сложные электронные устройства, для корректной работы которых требуются драйверы.

Светодиоды против ламп накаливания

Аспект	Лампы накаливания	Светодиодные источники
Электрические характеристики	Простое резистивное сопротивление	Сложная электронная нагрузка
Текущий контроль	Корректировка Vrms достаточна	Требуется стабилизация постоянного тока
Метод регулировки яркости	Снижение напряжения/тока	CCR или PWM
Время отклика	Медленный (тепловая инерция)	Мгновенный
Направленность	Двунаправленный	Однонаправленный

LED Drivers

Светодиодам требуются драйверы для:

Преобразования переменного напряжения в стабилизированный постоянный ток
Компенсации производственных отклонений прямого напряжения светодиодов (Vf)
Реализация функции диммирования (CCR или PWM)
Защита светодиодов от перегрузки по току и перегрева

Технологии диммирования

В отчете технологии регулировки яркости классифицируются на два основных подхода:

1. Coincident AC Power and Control Signal

Синусоида переменного тока с фазовой отсечкой (прямая или обратная фаза)
- Двухпроводная схема (фаза, затемненная фаза)
- 3-проводная (фаза, затемненная фаза, нейтраль)
Сниженная амплитуда синусоиды переменного тока

Раздельные силовые цепи переменного тока и цепи управления

Fluorescent 3-Wire
0-10V
DALI (Digital Addressable Lighting Interface)
DMX512
ШИМ (Широтно-импульсная модуляция)

Рекомендация: По возможности рассмотрите технологии управления, которые разделяют питание переменного тока и управляющий сигнал. Такой подход обычно обеспечивает лучшую производительность затемнения и меньше проблем с совместимостью.

Методы диммирования

Светодиоды можно затемнять двумя основными методами, каждый из которых имеет отличительные характеристики:

Понижение постоянного тока (CCR/Аналоговый)

Метод: Изменение тока светодиода при постоянном поддержании его свечения
Преимущества:
- Увеличенный срок службы светодиодов (меньший ток и температура)
- Отсутствие генерации шума
- Потенциально более высокая эффективность при низких уровнях диммирования
- Не создает мерцания
Недостатки:
- Возможное нежелательное изменение цветопередачи
- Затрудненная регулировка при глубоких уровнях затемнения

Pulse Width Modulation (PWM)

Метод: Поддержание того же тока светодиода при варьировании времени включения/выключения
Преимущества:
- Увеличенный срок службы светодиода (меньшее время работы, более низкая температура)
- Хорошая регулировка затемнения на низких уровнях яркости
- Отсутствие цветового сдвига
Недостатки:
- Возможное образование шума
- Частота ШИМ критически важна для предотвращения нежелательного мерцания
- Ограничения минимального уровня диммирования

Проблемы мерцания

Мерцание означает временную модуляцию светового потока. Характерное для всех традиционных коммерческих источников света, работающих на переменном токе, оно может создавать больше проблем в светодиодных источниках.

Кому важно мерцание?

Люди, чувствительные к световой модуляции
Лица, ответственные за здоровье, благополучие и/или работоспособность людей в помещениях с электрическим освещением
Группы риска:
- Фотосенситивные эпилептики (1 из 4000)
- Страдающие мигренью
- Молодые люди
- Люди с аутизмом

Метрики мерцания

Процент мерцания: (Max-Min)/(Max+Min) × 100%
Индекс мерцания: Площадь выше среднего / Общая площадь

Результаты испытаний в отчете показывают, что процент мерцания составляет от 7,5% до 16,3%, а индексы мерцания — от 0,02 до 0,06 при различных уровнях диммирования и комбинациях оборудования.

Качество электроэнергии

Регулировка яркости светодиодного источника может изменить поведение драйвера, потенциально влияя на качество электроэнергии:

Что такое качество электроэнергии?

Качество электроэнергии относится к смещениям и искажениям форм напряжения и тока, измеряемым по:

Power Factor (PF): Связывает активную мощность (P) и полную мощность (S) через коэффициент мощности: PF = P/S
Total Harmonic Distortion (THD):
- THD-V (voltage)
- THD-I (ток)

Кого волнует качество электроэнергии?

Производители и потребители электроэнергии:
- Возросшие требования к току
- Потери при передаче электроэнергии (I²R)
- Подбор сечений проводов, автоматических выключателей и трансформаторов
- Возможное повреждение оборудования или снижение производительности
Lighting equipment manufacturers:
- Добровольные требования в ANSI C82.77-2002
- Компромиссы при проектировании системы
- Ограничения по стоимости и габаритам

Phase-Cut Dimming

Phase-cut dimming is the most commonly deployed dimming technology, with a large installed base in the U.S. (NEMA estimates >150 million units).

Регулировка яркости отсечкой фазы против синусоидальной регулировки яркости

Отсечка фазы: Отсекает участки синусоидального сигнала переменного тока
- Прямая фаза (передний фронт)
- Обратная фаза (задний фронт)
Синусоидальная волна: Уменьшает амплитуду всей синусоидальной волны

Designed for Incandescent Sources

Диммеры с отсечкой фазы изначально разрабатывались для ламп накаливания, которые:

Ведут себя как простые резистивные нагрузки
Фактически зависят только от Vrms
Являются двунаправленными (работают как с положительным, так и с отрицательным напряжением)
Обладают тепловой инерцией (свечение продолжается после прекращения тока)

Проблемы совместимости

В отчете выявлены многочисленные проблемы совместимости, которые могут возникать при фазоимпульсном диммировании светодиодных источников:

Мертвый ход: Регулировка положения диммера без соответствующего изменения уровня освещенности
Мгновенное включение: Для получения светового потока при включении требуется установить диммер выше текущего положения
Отсев: Отсутствие светового потока в нижней части диапазона диммирования
Попкорн: Различное время включения для разных источников света в цепи с диммером
Мерцание: Источник света периодически включается, когда должен быть выключен
Эффект памяти: Источник света находится в состоянии слабого свечения, когда должен быть выключен
Слышимый шум от диммера или драйвера светодиодов
Неработоспособность или преждевременный отказ

Источники проблем совместимости

Светодиодная нагрузка не может измерить среднеквадратичное напряжение и/или угол проводимости, создаваемые диммером
Светодиодная нагрузка потребляет недостаточный ток для поддержания коммутационных элементов диммера в закрытом состоянии
Светодиодная нагрузка создает последовательное сопротивление, нарушающее работу временных элементов диммера
Нагрузка светодиодов в выключенном состоянии не пропускает ток диммера таким образом, чтобы поддерживать работу расширенных функций
Нагрузка светодиодов потребляет токи, создающие нагрузки, превышающие показатели номинальной мощности диммера