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LED燈具調光效果不理想?教你如何改善
2014/11/1 10:52:32

  摘要:LED驅動器中的自適應算法,使得SSL系統的設計可以依據推薦的調光性能來實施,包括一系列利用 了各種不同調光方案的切相調光器,Tom Thornton(Light-Based Technologies公司高級應用工程師)解釋道。

  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)調光器之間的不良匹配性能。

  根據NEMA(國家電氣制造商協會)的數據,僅僅在北美地區,就安裝有1.5億只家用切相調光器—— 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動電路,不得不掙扎著應付市場上這些切相調光器的不停變化和不穩定的輸出。由此而產生的燈具與燈具之間,乃至調光器與調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,盡管通過實現自適應的驅動電路設計可以緩解這個問題。

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

  切相調光器

  目前有兩種不同類型的切相調光器(圖1)。前沿切相調光器延遲過零點之后的觸發角(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。前沿調光器僅需使用一個有源器件——三端雙向可控硅開關元件——這使得它們的成本非常便宜,并因此而占據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光器產生的最大和最小觸發角存在著很大的不一致。不同的供應商,以及不同的產品型號,其觸發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變化。實際上,通過對市售的64只來自不同供應商的調光器的調查,我們發現其觸發角的最小值波動范圍為17°~72°,而最大觸發角的波動范圍為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光器所產生的觸發角的特定最大與最小值。所有的可調光LED燈具的電源供電電路,其調光器的導通周期都與LED的工作電流直接相關,并因此而影響著燈具的發光量。假設LED驅動電路具有固定的調光曲線,恰如今天市場上所有驅動電路所實現的那樣,那么針對不同的調光器,該驅動電路的性能表現也會不一樣。此外,調光曲線上的任何非線性都會加劇調光器之間的性能差異。

  觸發角的變動

  在設計切相調光電源電路的時候,制造商必須確定該電源電路在什么樣的觸發角產生最大和最小的LED工作電流。假如該電路具有一條固定的調光曲線,這就迫使他們要根據性能要求對特定的調光器做出一項或者多項妥協。

  考慮這樣一種情況:電源電路的最小調光級為1%輸 出電流,對應的觸發角為30°,而最大調光級為100%, 對應的觸發角為158°,相應的調光曲線示于圖3。假如電 源電路工作于表中所示的兩只調光器的情況,它就會完美 匹配那只Leviton調光器,在該調光器的最小物理位置達到最小的調光級,而在其最大物理位置達到最大的調光級。

  然而,假如該電路與那只Lutron調光器協同工作,它就達不到最大100%的調光級。它將只能達到最多49%的調光水平,因為該Lutron調光器產生不了寬達158°的觸發角。進一步說,它也實現不了1%的最小調光水平,因為該Lutron調光器也實現不了低達30°的觸發角。在本例中,它將只能達到1.7%的調光水平。

  另外一種方案是將最小與最大調光水平分別設置成 匹配Lutron調光器的45°和138°的觸發角,如圖4所示。在這個場景中,驅動器將完美匹配Lutron調光器,但是 如果與Leviton調光器配合使用,依然會存在問題。使用這些條件于該調光曲線,驅動器將達到其所期望的1%的最小調光級,以及100%的最大調光級;但是,這樣一來,在調光器的底端會存在著12%的空程,在頂端則存在著16%的空程,在這些區域里,調光器依然可以移動,但是不會產生調光效果。

  一些工業指南,比如照明研究中心(LRC)的 ASSIST (固態照明系統及技術聯盟)項目所開發的指導文檔,就建議在整個調光范圍之內,任何位置的空程范圍不要超過10%,而LRC的進一步研究表明,用戶發現有空程存在的時候,就會感覺很不舒服。前面的例子就不能滿足該建議的要求,不管是在調光行程的底端還是頂端。這個問題,會隨著調光器的不同而表現得更嚴重。針對目前市場上的調光器的相位角范圍,既要避免輸出水平的改變,又要避免調光器的空程,是不可能僅僅使用一條固定的調光曲線就實現對它們的支持的。

  自適應調光解決方案

  為了消除不同調光器帶來的行為上的差異,驅動器必須動態調整其調光曲線,以適配當前使用的調光器的專有特性。智能驅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光器,智能驅動器需要以一條缺省的調光曲線為基礎,根據其所觀測到的數據來進行適配。該缺省調光曲線的最大與最小相位角應該居于市面上所有可用調光器的最壞的限制條件之內。將缺省值設置為在95°達到最大調光輸出,以及在75°時達到最小的調光輸出,就能夠滿足這個要求(圖5a)。然后,當該驅動器工作于某只切相調光器的時候,學習算法就可以監視該調光器產生的相位角,如果相位角超出了當前的限定值,就對該限定值及調光曲線進行相應的調整。

  以上表中的Lutron調光器為例,當該調光器被調節到其最大位置的時候,它會產生一個更寬的高達138°的相位角。驅動器的學習算法發現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光曲線進行更新以適配這種情況。當調光器被調節到最小位置的時候,它會產生一個更小的低達45°的相位角,驅動器的學習算法檢測到該相位角低于驅動器先前存儲的最小限定值,于是對存儲的值及調光曲線進行更新,以適配這種情況。

  圖5b展示了該算法在完成對Lutron調光器的適配之后的調光曲線及其最大與最小限定值。該圖清楚顯示了在 調光器的最大位置,驅動器的的調光輸出達到了100%且沒有任何空程;而在最小位置,驅動器的調光輸出達到了1%且沒有任何空程。在這個案例中,驅動器完美匹配了與之配合工作的Lutron調光器。

  連續適配

  驅動器可能需要對兩個情況進行理想適配以適應不同相位角的情況——安裝的時候以及調光器被更換的時候。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,驅動器的自適應調光算法可以被配置成永遠激活狀態。通過連續監視輸入的相位角,驅動器就能夠確定是否需要更新其限定值和調光曲線。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光曲線。這樣一來,終端用戶就可以如其所見般操作該調光器,而驅動器將根據其收到的相位角輸入信息對調光器進行無縫適配。

  假如上文中的Lutron調光器被替換成了Leviton調光器,該學習過程就會繼續進行。當Leviton調光器被移到其最大和最小調光位置的時候,它會分別產生158°和 30°的相位角。驅動器的自適應調光算法檢測到這兩個新的限定值,對它存儲的值和調光曲線進行調整以適配新的情況。圖5c顯示了在同Leviton調光器協作后修正的限定值和調光曲線。該曲線再一次完美匹配了新調光器的特性,沒有任何的空程,并且保持了同樣的最大及最小調光水平。

  Light-Based Technologies公司在其Ultra Compatible系列LED驅動器中使用了專有的軟件,來實現上述自適應調光算法。這些驅動器確保能夠消除調光器之間的任何差異,提供用戶所期待的一致的調光性能。

[責任編輯:admin]



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