LED調光技術：關鍵須知

為何調暗LED光源？

調暗LED光源除了簡單的氛圍控制外，還具有多重優勢：

• 額外節能效果 超越僅切換至LED技術所達成的節能成效
• 提升視覺任務執行效能 透過根據特定需求調整光照水平
• 強化環境氛圍 與空間靈活性
• 較少的光源 指定、維護和儲備
• Demand response load shedding 功能
• 可能提升的效能與使用壽命 光源的

調光挑戰

儘管具有這些優點，對LED光源進行調光仍面臨多項重大挑戰：

• 廣泛差異 在LED光源與調光器特性方面
• 幾乎無法做出任何假設 基於白熾燈照明的歷史慣例
• 並非所有聲稱都具有同等效力 由於缺乏標準測試程序
• 難以預測 未經實際測試的效能表現
• 電路層級互動 LED驅動器與調光器之間的交互作用導致相容性問題

LED調光基礎

理解這些基本概念對於成功實現LED調光至關重要：

LED 與白熾燈光源之比較

LED Drivers

LED需要驅動器來：

• 將交流電壓轉換為穩壓直流電流
• 補償LED順向電壓(Vf)的製造變異
• 實作調光功能(CCR或PWM)
• 保護LED免於過電流與過溫狀態

調光技術

本報告將調光技術歸納為兩種主要方法：

1. Coincident AC Power and Control Signal

• 相位切割交流正弦波 (正向或反向相位)
  • 二線制（火線、調光火線）
  • 3線式（火線、調光火線、中性線）
• Reduced amplitude AC sine-wave

分離式交流電源與控制信號

• Fluorescent 3-Wire
• 0-10V
• DALI (數位可定址照明介面)
• DMX512
• PWM (脈衝寬度調變)

調光方法

LED可透過兩種主要方式進行調光，每種方式皆具備獨特特性：

恆流遞減 (CCR/Analog)

• 方法： 在保持LED常亮的同時調整LED電流
• 優勢：
  • 更長的LED壽命（較低電流與溫度）
  • 無噪音產生
  • 在較低調光等級下可能具有更高效能
  • 不會產生閃爍
• 缺點：
  • 可能產生令人不悅的色偏
  • 深度調光時較難精準調控

Pulse Width Modulation (PWM)

• 方法： 維持相同LED電流但改變開/關時間
• 優勢：
  • 更長的LED壽命（減少開啟時間，降低溫度）
  • 深度調光時具備良好的調光調節性能
  • 無色彩偏移
• 缺點：
  • 潛在噪音產生
  • PWM頻率對於避免不良閃爍至關重要
  • 最低調光等級限制

閃爍問題

閃爍指的是光輸出（光通量）隨時間的變化（調變）。雖然所有使用交流電的傳統商業光源都存在此現象，但在LED光源中可能更為嚴重。

誰在乎閃爍問題？

• 對光調變敏感的所有人
• 負責電氣照明空間中人類健康、福祉及/或表現的人員
• 高風險族群：
  • 光敏感性癲癇患者 (1/4000)
  • 偏頭痛患者
  • 年輕人
  • Autistic individuals

閃爍指標

• 閃爍百分比： (最大值-最小值)/(最大值+最小值) × 100%
• 閃爍指數： 高於平均值面積 / 總面積

報告中的測試結果顯示，在不同調光等級與設備組合下，閃爍百分比介於7.5%至16.3%之間，閃爍指數則落在0.02至0.06範圍。

電能品質

調暗LED光源可能改變驅動器的運作行為，進而影響電能品質：

什麼是電能品質？

電能品質指電壓與電流波形的偏移與失真，其衡量指標包括：

• Power Factor (PF)： 以功率因數 PF = P/S 關聯實功率 (P) 與視在功率 (S)
• 總諧波失真 (THD)：
  • THD-V (voltage)
  • THD-I (電流)

誰在乎電力品質？

• 電力生產者與消費者：
  • 增加的電流需求
  • 電力傳輸（I²R）損耗
  • 電線、斷路器、變壓器尺寸選定
  • 潛在設備損壞或性能衰減
• Lighting equipment manufacturers:
  • ANSI C82.77-2002 中的自願性要求
  • 系統設計權衡
  • 成本與尺寸限制

相位切換調光

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

相位切換 vs. 正弦波調光

• 相位切換： 截斷交流正弦波的部分波形
  • 正向相位（前沿觸發）
  • 反向相位（後沿觸發）
• 正弦波： 降低整體正弦波振幅

專為白熾燈源設計

相位切換調光器最初是為白熾燈源設計的，這些燈源：

• 表現如同簡單的電阻性負載
• 實際上僅與Vrms相關
• 具有雙向性（適用於正負電壓）
• 具有熱持續性（電流停止後仍持續發光）

相容性問題

該報告指出在LED光源的相位切換調光過程中可能出現的眾多相容性問題：

• 無效行程： 調整調光器設定但亮度未相應改變
• 突亮： 需將調光器設定調高至現有設定以上才能獲得開啟時的燈光輸出
• 輟學： 調光範圍底部無光輸出
• 爆米花： 調光電路上不同光源的啟動時間不同
• 閃爍： 光源在應關閉時不定時亮起
• 殘影： 光源在應關閉時仍維持低亮度狀態
• 可聞噪音 來自調光器或LED驅動器
• 無法運作 或過早失效

Sources of Compatibility Issues

• LED負載無法量測調光器所呈現的Vrms及/或導通角
• LED負載未能汲取足夠電流以維持調光器開關元件處於閉合狀態
• LED負載產生的串聯阻抗會干擾調光器計時元件運作
• 關閉狀態下的LED負載無法以維持進階功能運作的方式傳遞調光器電流
• LED負載汲取的電流產生的應力超出調光器額定瓦數標示值

建議事項

本報告針對成功實現LED調光提供了多項建議：

瞭解您的選擇

• 判斷LED產品是燈泡還是燈具
  • 燈泡： 通常採用標準燈頭改裝，受限於相位控制
  • 燈具： 通常具備可產生多種控制選項的驅動器選擇
• 考慮採用交流電源與控制信號分離的控制技術
• 如有可能，請使用帶中性線的相位切換調光器
• 考慮使用專為LED光源設計的調光控制裝置

善用現有資訊

• Research the designed, claimed dimming performance of LED sources
• Look for recommended dimming control selection guidance
• 注意特定廠牌/型號的建議
• 注意調光器負載要求（每個控制器可連接的LED光源最大/最小數量）

提出正確的問題

• 什麼是調光轉換函數？
• LED驅動器是否實現CCR或PWM？
• 什麼是PWM調光頻率？
• 調光性能是否會因輸入電壓不同而變化？
• 是否對LED光源在調光範圍內的閃爍與電源品質進行過評估？
• 調光器是否需要中性線或微調校正？

權衡利弊得失

• 應用程式需求與期望
  • 閃爍問題有多重要？
  • 電力品質有多重要？
• 選項1：僅使用具有明確相容性的LED光源與相位切換調光器
• 選項2：使用所有預定組件進行模擬安裝

分析風險

• 相容性問題的常見「修復」方式：
  • 更換LED光源、驅動器或調光控制器
  • 添加白熾燈或虛擬負載
  • 新增中性線
• 產品安裝後通常難以找到完善的解決方案
• 在訂購和安裝產品之前就要有規劃