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许延风照明行业

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LED照明智能控制系统的应用现状及发展趋势

LED照明智能控制系统的应用现状及发展趋势 

 

           锐高明电子(上海)有限公司   许延风       

 

      摘要:在照明行业,人们对于LED光源的控制及调光存在一个误区,即认为对比其他光源(荧光灯,金卤灯和钠灯等)的控制及调光LED要相对容易的多。而现实的情况是对LED光源的控制及调光目前在工程中的应用中非常不尽人意,为什么会是这样的情形?

        要了解LED照明智能控制系统的应用现状及发展趋势,首先我们要先了解照明智能控制系统的起源及LED光源的电气特性。

 

         照明智能控制系统的起源

         让我们回到100年前的英国,当时的英国去歌剧院欣赏歌剧,到社交酒会跳舞是贵族们的时尚社交活动。因此“一键式”实现预先设定的照明灯光效果的“照明剧院控制系统”应运而生。该照明系统的主要特点是:通过可控硅对电压的前缘或后缘进行切相调节,从而实现照明回路中的电流变化。由于当时的照明光源主要是卤素光源,而该系统采用的技术又非常适合卤素光源的控制及调光,因此该系统及技术迅速的发展起来,一直延用至今。

         由于该系统及技术采用照明主线路控制及调节,不需要额外的控制及调光线路,因此在酒店行业该系统的使用十分广泛,另外由于酒店行业目前开始非常重视照明的节能及环保,因此LED光源的照明开始在酒店(特别是高端酒店)流行起来。一直以来在酒店照明控制系统行业占主导的三家公司:ClipsalLutronDynalite在积极主动的尝试用可控硅前缘或后缘切相调光技术对LED光源进行控制及调节,但是目前应用的效果及情况不理想,主要是目前在市场上要找到完全匹配合适可控硅前缘或后缘切相调光技术的LED驱动器或LED光源很难,令人满意的不多见。但是由于该系统及技术不需额外的控制及调光线路的优点,使得许多行业内的人士不断地投入人力物力研发,改良及应用,如果该技术对LED光源的控制及调光能克服技术难点,那么“照明剧院控制系统”应用于LED光源的控制及调光的市场前景将是非常巨大。

         由于ClipsalLutronDynalite的“照明场景控制系统”都采用自己的“485”协议为主干,因此我们习惯称他们为“485系统”。

         让我们回到1970年的欧洲,1970年的第一次世界能源危机促使了人们开始考虑如何管理好能源及节约能源。另外电气自动化控制及技术开始进入各行各业,该趋势开创了在建筑楼宇中应用低压弱电信号的电气开关来控制或调解照明,实现照明的智能化管理及降低照明的能耗,我们通常提到的“照明楼宇控制系统”就是在这个基础上发展起来的。

        1980年代Siemens公司率先推出“EIB总线又称“欧洲安装总线”应用于建筑楼宇的照明控制及调节。该系统主要强调照明的集中管理及自动节能控制,如在下班时关灯,或没人时关灯,或是日光充足时关灯。由于SchneiderABBSiemens的不断优化控制技术及功能,“照明楼宇控制系统”已在公共建筑得到广泛的应用。另外“照明楼宇控制系统”主要采用“EIB总线为主干,因此我们习惯称他们为“EIB系统”。

       由于80年代的楼宇照明主要应用荧光灯及卤素灯,因此“EIB系统”的控制及调光技术主要针对这两种光源。但是目前楼宇室内照明开始注意环保节能,应用LED光源的机会大大增加了,因此“EIB系统”的厂家也在加大力度研发适合LED光源的控制技术及系统改良以适应这一变化。

       让我们回到1970年的美国,但是美国的娱乐及电影电视行业空前发展,“好莱坞”家喻户晓。因此针对舞台的灯光及娱乐场所的照明控制技术应势而生。由美国“舞台灯光协会”推出的基于DMX512协议为基础的“照明舞台控制系统”得到长足的发展,由于该协议的产生使得用户能够买不同厂家产生的DMX512设备,并通过控制线路在同一个复杂的灯光控制台下进行控制,因此至今该系统还占据着舞台照明及夜景照明控制市场的主导地位,我们习惯称他们为“512系统”

       早期的舞台照明主要应用大功率的卤素灯及霓虹灯,但是在90年代LED光源首次进入照明是通过舞台照明应用的,并延用到建筑物夜景照明,另外通过近十年的应用基本上舞台照明及建筑物夜景照明都是应用LED光源,因此目前“512系统”目前占据着控制及调节LED光源的市场优势,但是“512系统”由于自身应用的局限性,目前仅仅是在基本上舞台照明及建筑物夜景照明得到应用,广阔的室内照明应用无法插足。因此“512系统”想得到进一步的快速发展,需要变革。

 

      那么什么样的LED照明智能控制系统及技术会是未来的主导,占据市场主要位置?

      要回答以上问题我们要先来看看LED光源的电气特性。因为控制技术是为受控制的光源服务的,

      因此我们要了解LED光源的电气特性。

 

       LED 光源的电气特性

       LED光源有着这样的电气特性,即是流过LED P-N结(可参考LED革命,革命一文)的电流随电压变化的特性,在示波器上能十分形象地展示这种变化(如图1),一根完整的伏安曲线包括正向特性与反向特性。通常,反向特性曲线变化较为陡峭,当电压超过某个阈值时,电流会出现指数式上升,从而击穿LED P-N结。而LED的正向电压也是由其正向电流决定的。从图1可知,正向电流的变化会引起正向电压的相应变化,确切地说,正向电流的减小也会引起正向电压的减小。所以在把电流调低的时候,LED的电压也就跟着降低,这就会改变电源电压和负载电压之间的关系。

 
 
 

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         因此从LED的电气特性,我们可得知LED光源的调光不能够简单用降低LED的输入电压或输入电流来实现,另外LED的正弦波的波形有别于白炽灯的波形,因此也不能简单得通过改变其导通角,从而实现改变其有效值(有效调光)的目的。

  PWM(脉宽调制)调光方式可以很好的解决以上问题,因为LED是一个二极管,它可以实现快速开关,它可允许的开关速度可以高达微秒以上,是任何发光器件所无法比拟的。因此,只要把电源改成脉冲恒流源,用改变脉冲宽度的方法,就可以改变其亮度,这种方法称为脉宽调制(PWM)调光法。   

  这种调光方式就像一个以高达微秒以上开关的水闸,由于该水闸开关频率很快,快到我们无法用肉眼识别其开关的状态,其结果是我们只能够通下游水量的多少,才能识别其开关频率的快慢。另外由于该水闸改变的是输出水流的占空比(水流有效流量),不改变水流的瞬间水压及瞬间流量,因此该水闸的高达微秒以上开关动作不会影响水力发电的工作,因为瞬间水压及瞬间流量不变,改变的是下流的水量及发电的总量。因此,以此类推PWM(脉宽调制)调光方式不改变输入LED PN结的瞬间压及瞬间电流,改变的是输出电流的占空比,从而改变其亮度。

        另外LED PWM(脉宽调制)调光方式还有以下的优点:

1、不会产生任何LED色谱偏移,因为LED始终工作在满幅度电流和0之间。

2、有极高的调光精确度,因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度,所以很容易实现万分之一的精度。

3、即使在很大范围内调光,也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件(升压比或降压比),更不可能发生过热等问题。

4、可以和数字(DALI/DSI/DMX 512)控制技术相结合来进行控制,因为数字控制信号很容易变换成为一个PWM信号。

          虽然LED PWM(脉宽调制)调光方式有很多优点,但是需要注意以下两个问题:

1、脉冲频率的选择,因为LED是处于快速开关状态,假如工作频率很低,人眼就会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象,它的工作频率应当高于100Hz,最好为200Hz

2、消除调光引起的啸声,虽然200Hz以上人眼无法察觉,可是一直到20kHz却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法,一是把开关频率提高到20kHz以上,跳出人耳听觉的范围。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。

           目前已经有些生产LED可调光电源,驱动器及数字控制系统的厂家已经很好得解决了上述问题,如锐高(Tridonic)公司的LED可调光电源及驱动器都采用PWM(脉宽调制)调光技术(图2),其控制信号均采用DALI(数字可寻址的照明接口)技术,并结合数字照明控制系统,实现全数字化的LED控制产品线。另外TRIDONIC(锐高)最新的基于PL-LED技术的LED光引擎产品(图3)。PL-LED是指TRIDONICLED荧光粉创新技术,该技术可以实现在同一LED光源内颜色及色温的变化,同时可以通过软件选定固定的色温(例如:2700K-6200K)或颜色(例如:RGB)并进行调光控制,目前LED应用数字调光技术的最高境界。

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                总结

         虽然现阶段的LED照明智能控制系统的应用比较混乱,并且还有着一些问题和障碍,但无可否认LED照明智能控制系统的应用前景是光明的。只要我们保持着严谨的态度,科学的方式及负责任的心态发展LED照明智能控制系统,去推广LED调光技术,去用好LED照明,那么LED照明带给我们的好处,带给人类的好处就在不远的将来。   

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