LED调光技术：关键要点解读

为何需要调暗LED光源？

调暗LED光源除了实现简单的氛围控制外，还具有多重优势：

• 额外的节能效果 超越单纯采用LED技术所实现的节能效果
• 提升视觉任务表现 通过根据特定需求调节光照水平
• 优化环境氛围 与空间灵活性
• 更少的光源 指定、维护和储备
• 需求响应负荷削减 性能
• 潜在提升的效能与使用寿命 光源的

调光挑战

尽管存在诸多优势，LED光源调光仍面临若干重大挑战：

• 广泛差异性 在LED光源和调光器特性方面
• 基本无法做出假设 基于白炽灯照明的历史实践
• 并非所有声明都具有同等效力 由于缺乏标准测试流程
• 难以预测 未经实际测试的性能表现
• 电路级交互 LED驱动器与调光器之间的电路级交互会导致兼容性问题

LED调光基础

理解这些基本概念对于成功实现LED调光至关重要：

LED与白炽光源对比

LED Drivers

LED需要驱动器来：

• 将交流电压转换为稳压直流电流
• 补偿LED正向电压(Vf)的制造公差
• 实现调光功能(CCR或PWM)
• 防止LED受到过流和过温条件的影响

调光技术

该报告将调光技术分为两种主要方法：

1. Coincident AC Power and Control Signal

• 切相交流正弦波 （正向或反向相位）
  • 双线制（火线，调相火线）
  • 三线制（火线，调相火线，零线）
• 减幅交流正弦波

独立交流电源与控制信号

• 荧光灯三线制
• 0-10V
• DALI （数字可寻址照明接口）
• DMX512
• PWM (脉冲宽度调制)

调光方法

LED主要可通过两种方法进行调光，各自具有鲜明特性：

恒流衰减 (CCR/Analog)

• 方法： 在保持LED常亮的同时调节LED电流
• 优势：
  • 更长的LED寿命（更低的电流与工作温度）
  • 无噪音产生
  • 在较低调光水平下可能具有更高光效
  • 不会产生频闪
• 缺点：
  • 可能产生不悦目的色偏
  • 深度调光时调控难度更高

Pulse Width Modulation (PWM)

• 方法： 保持相同LED电流但改变通断时间
• 优势：
  • 更长的LED寿命（减少导通时间，降低温度）
  • 深度调光时具备良好的调光稳定性
  • 无色彩偏移
• 缺点：
  • 潜在噪声产生
  • PWM频率对于避免不良闪烁至关重要
  • 最低调光水平限制

闪烁问题

频闪是指光输出（光通量）随时间的变化（调制）。虽然所有使用交流电的传统商用光源都存在这种现象，但在LED光源中可能更为突出。

谁在乎闪烁问题？

• 任何对光调制敏感的人群
• 负责电照明环境下人员健康、福祉和/或工作效率的相关人员
• 高危人群：
  • 光敏性癫痫患者（1/4000发病率）
  • 偏头痛患者
  • 年轻人
  • Autistic individuals

闪烁度量指标

• 闪烁百分比： (最大值-最小值)/(最大值+最小值) × 100%
• 闪烁指数： 高于平均值的面积 / 总面积

报告中的测试结果显示，在不同调光等级和设备组合下，闪烁百分比范围为7.5%至16.3%，闪烁指数范围为0.02至0.06。

电能质量

调节LED光源的亮度可能改变驱动器的运行特性，进而影响电能质量：

什么是电能质量？

电能质量是指电压和电流波形的偏移与畸变，通过以下指标衡量：

• 功率因数（PF）： 通过功率因数 PF = P/S 关联有功功率 (P) 和视在功率 (S)
• 总谐波失真 (THD)：
  • THD-V（电压）
  • THD-I (电流)

谁在乎电能质量？

• 电力生产者与消费者：
  • 电流要求提高
  • 电力传输（I²R）损耗
  • 导线、断路器、变压器选型
  • 潜在设备损坏或性能下降
• Lighting equipment manufacturers:
  • ANSI C82.77-2002 中的自愿性要求
  • 系统设计权衡
  • 成本与尺寸限制

切相调光

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

相位切割调光 vs 正弦波调光

• 相位切割： 斩断交流正弦波的部分波形
  • 正向相位（前沿）
  • 反向相位（后沿）
• 正弦波： 降低整个正弦波的振幅

专为白炽光源设计

相位切控调光器最初是为白炽灯光源设计的，这类光源：

• 表现为简单的电阻性负载
• 实质上仅对电压有效值敏感
• 具有双向导通特性（适用于正负电压）
• 具备热持续性（电流停止后仍持续发光）

兼容性问题

该报告指出了LED光源在相位调节调光过程中可能出现的多种兼容性问题：

• 空行程： 调节调光器设置但光照度未相应改变
• 突亮： 开启时需将调光器设置调高至现有设定值以上才能获得光照输出
• 漏点： 调光范围底部无光输出
• popcorn： 调光电路中不同光源的启动时间差异
• 闪烁： 光源在应关闭时间歇性点亮
• 残影： 光源在应关闭时处于低电平亮起状态
• 可闻噪声 来自调光器或LED驱动器
• 无法操作性 或过早失效

兼容性问题的来源

• LED负载无法测量调光器输出的Vrms和/或导通角
• LED负载未能汲取足够电流以维持调光器开关元件闭合
• LED负载形成的串联阻抗会干扰调光器定时元件
• LED负载在关闭状态下无法以维持高级功能正常运行的方式传导调光器电流
• LED负载汲取的电流会产生超出调光器额定功率标称值的应力

建议

本报告为成功实现LED调光提供了若干建议：

了解可选方案

• 确定LED产品属于灯管还是灯具
  • 灯管类： 通常采用标准灯头进行改装，仅限于相位控制
  • 灯具： 通常配备可提供多种控制选项的驱动器
• 考虑采用交流电源与控制信号分离的控制技术
• 如有可能，请使用带中性线的相位控制调光器
• 考虑采用专为LED光源设计的调光控制系统

充分利用现有信息资源

• 研究LED光源的设计标称调光性能
• 寻找推荐的调光控制选型指南
• 关注特定品牌/型号的推荐
• 注意调光器负载要求（每个控制器可连接LED光源的最大/最小数量）

提出正确的问题

• 什么是调光传递函数？
• LED驱动器采用CCR还是PWM？
• PWM调光频率是多少？
• 在不同输入电压下，调光性能会变化吗？
• LED光源是否在整个调光范围内进行了闪烁和电源质量评估？
• 该调光器是否需要零线或微调校准？

权衡利弊

• 应用需求与期望
  • 闪烁问题有多重要？
  • 电能质量有多重要？
• 方案一：仅使用具有明确兼容性的LED光源与相位调节调光器
• 方案二：采用所有预定组件进行安装模拟

风险分析

• 兼容性问题的常见"修复"方案：
  • 更换LED光源、驱动电源或调光控制器
  • 增加白炽灯或虚拟负载
  • 添加中性线
• 产品一旦安装通常没有完美的解决方案
• 在产品订购和安装前制定计划