學習LED 相控調光標準SSL 6 和SSL 7A

路秋生

(北京信息職業技術學院，北京 100070)

1 LED 照明調光的特點

LED 照明具有工作壽命長、顯色性好、幾乎沒有紅外輻射、并且不含水銀等優點。LED 照明調光具有節能的功效，并且LED 調光可以降低LED 的工作溫度，提高LED 燈具和LED 熒光粉涂層的工作壽命。

任何燈具調光工作(LED、熒光燈、鹵鎢燈、CFL燈)都可以改善照明環境的舒適性。研究證明，合適的照明環境可以提高工作人員的工作效率，降低工作人員的工作疲勞感，使工作人員更滿足自己的工作環境。

使用LED 照明時，應使LED、LED 驅動器和控制電路之間相匹配，從而充分發揮LED 照明的優點。并且還需對照明應用場合、所需的調光控制特性和照明控制設備等因素進行綜合考慮。

調光范圍的大小和應用環境有關，例如，在大廳或走廊，如能使最低調光范圍達到20%，而在餐廳如能將最低調光范圍調低至1%，調光效果會更理想。

市面上有許多從高壓(傳統的前沿相控或后沿相控調光控制器)到低壓(基于0～10 V、DMX 或DALI調光控制器等)的調光控制器，甚至有些嵌入了無線通信控制功能。許多新照明控制技術的出現，便于用戶選用，可以實現高性能、節能和照明效果的有效控制。

目前可以實現LED 調光的方法有很多種，但是現階段能夠被市場普遍接受的調光方式是相控調光。相控調光的主要優點是使用、安裝方便，可以在不改動原有線路的情況下安裝使用。

由于現有的相控調光器被設計用于鎢絲燈(近似電阻負載，功率大多在20 W～50 W)，因此需要一些額外的電路才能使它們用于LED 照明系統。據NEMA 的有關統計，目前市場上有近200 多種相控調光控制器，所以使用中存在LED 相控調光與相控調光器的匹配問題。

相控調光按工作原理可以分為前沿相控調光和后沿相控調光兩種。前沿相控調光一般采用可控硅半控功率開關器件，電路結構簡單，使用方便。前沿相控調光電路通過控制可控硅的導通角來調節控制輸出交流電的有效值，從而達到調光控制效果。

但是可控硅相控調光工作在斬波方式下無法實現電壓正弦波輸出，因此會出現大量諧波，形成對電網系統的諧波污染。

相控調光加大了輸入交流電流有效值IRMS和有關元器件上的應力，可控硅工作電流太低與/或定時電路工作不穩定，降低的VRMS值與/或導通角難于測量，流過調光器的一部分電流沒有流過LED 負載，并且這個電流大小不穩定，都會影響相控調光的使用效果。

可控硅前沿相控調光應用在傳統的鎢絲燈和鹵素燈時不僅低成本，而且可達到很好的調光效果，得到了非常好的應用。可控硅前沿相控調光由于在低調光亮度時通過可控硅的電流減小，如調光亮度很低，通過可控硅的電流低于可控硅的維持導通電流時就不能再調光，否則可控硅關斷，這對LED 的低調光亮度應用場合會造成影響。

而后沿相控調光電路中使用的是全控功率開關器件(例如功率開關晶體管、功率MOSFET 或IGBT)，開關控制過程可以做的較為平滑，不存在可控硅半控功率器件的導通維持工作電流等問題，后沿相控調光電路的EMI 較可控硅前沿相控電路小，但是電路結構較前沿相控電路復雜，電路造價相對要高些。

2 相控調光角的定義與相控光輸出特性要求

在NEMA SSL 6 技術文件中對相控角和相控調光輸出特性作了有關規定。對相控角的定義如圖1 所示。相控角與相對光輸出的工作特性曲線要求如圖2所示。LED 調光工作特性應在圖2 所示的上限曲線和下限曲線之間，圖2 中的白熾燈調光曲線用于調光工作特性說明性目的。對應圖2 調光曲線的有關參數要求如表1 所示(針對120 VAC交流市電供電應用場合而言)。圖3 表示對相控調光工作特性曲線工作特性的有關技術要求。在圖3 中對低調光電平和高調光電平不靈敏區、調光控制起始點、單調調光控制特性、非單調調光控制特性和調光控制范圍等工作特性給出了說明。

SSL 6 主要針對基于白熾燈基座的LED 替換燈相控調光應用場合。在2011年v4月給出的SSL 6 勘誤表中將相控角40°或更大技術要求，改為相控角40°或更小。在導通角為40°或更低時調光輸出應不大于額定光輸出值的25%。

圖1 NEMA 對相控角的定義

圖2 相控角與相對光輸出的工作特性曲線要求

圖3 對相控調光工作特性曲線工作特性的有關技術要求

表1 對圖2 調光曲線的有關參數要求

SSL 6 規定LED 可調光應在產品包裝或產品網站上注明以下內容。

(1)適用于大多數白熾燈調光器，在產品網站上應列出適用調光器的型號和數量;

(2)一個調光器能帶的LED 燈模組數量;

(3)在最低光輸出(非關斷)時的相對光輸出等內容。

3 調光控制裝置與LED 燈或LED模組的連接

NEMA SSL 7A 于2013年v4月22日發布，在SSL 7A 中對調光控制裝置與LED 燈或LED 模組的連接做出了如圖4 所示的說明。可以看出LED 模組與LED 控制裝置的連接可以有三種不同的連接方式。他們分別是，LED 模組與控制裝置集成、LED 模組與控制裝置通過連線連接和控制裝置與多個LED 模組連接的控制方式。

圖4 LED 光引擎(LLE)的三種不同連接方式

NEMA SSL 7A 標準中包含了LED 光引擎和LED前沿相控調光控制器的有關設計標準、兼容性測試和有關測試步驟技術要求。NEMA SSL 7A 對一個前沿相控調光控制器帶多個可調光LED 光引擎時的兼容性提出了技術要求。LED 光引擎內含有一個或多個LED 模塊和LED 控制部件(集成或遙控)，并連接到電源供電電路。

按照NEMA SSL 7A 的技術要求，利用混合負載和信號波形發生器可以降低LED 光引擎和LED 相控調光電路的測試負擔，提高LED 光引擎和LED 相控調光電路的兼容性，無需對每只LED 燈和LED 相控調光器與LED 燈的匹配性進行特殊的測試。同時NEMA SSL 7A 也支持數控調光器的應用場合。

NEMA SSL 7A 不限定任何特定的照明產品或應用場合，標準適用于全球各地的交流市電供電電壓范圍和供電頻率范圍，標準的兼容性意味著:

(1)前沿相控調光器和LED 光引擎配合使用不會影響其使用壽命;

(2)前沿相控調光器的工作性能滿足或超過標準要求的技術特性;

(3)NEMA SSL 7A 標準具有前瞻性，用于設計和高質量的調光器控制器產品和LED 光引擎(LLE)產品(含控制器集成或分離的LED 燈)。但是，不用于決定LED 前沿相控調光器與現有產品的兼容性，或與已有LED 光引擎(LLE)的兼容性。

在新構建一個照明環境時，即可以選用LED 燈或LED 燈具，提供各種各樣的照明效果，而對一些照明環境的改進應用場合對LED 燈的使用會有一些限制，應用場合會決定燈具的使用和對調光效果的要求。

具有Edison 燈座的LED 燈可以直接替代白熾燈或螺口CFL 燈的應用場合，Edison 燈座的LED 燈集成了LED 驅動電路，可以用于調光應用場合。而另一些應用場合的LED 燈的驅動電路是外置的，一些LED燈具廠商可以提供不同的LED 驅動電路形式。同樣的LED 驅動電路可以采用不同的控制技術(例如調光或非調光應用場合)。

有時用戶可以從LED 燈具廠商定制自己需要的LED 驅動電路型式和燈具結構。LED 調光電路應可以實現1%～100%的平滑調光范圍，恒流驅動或恒壓驅動的LED 驅動電路20%的最低調光下限有時不能滿足用戶的需求。LED 調光應確保LED 燈具的工作壽命，否則就會降低LED 調光電路的使用價值。

SSL 7A 對標準的適用范圍、有關術語、LLE/調光器兼容的有關因素、前沿相控調光控制工作穩定性的有關技術要求、LED 相控調光的技術背景、相控調光、調光器、額定功率、浪涌輸入電流、重復峰值工作電流、過載、重復峰值電壓、最小導通角、最大導通角、關態工作、測試、調光器通態工作電流、有關標識、最高額定電壓、最低負載、關態、工作電壓、一個調光器帶多個LED 模組時的工作、功率因數、最大有效值電流、光輸出、使用調光器時的最大光輸出、使用調光器時的最小光輸出、調光器的關態工作、測試、調光器的通態工作和調光器的兼容性等技術問題進行了說明。

SSL 7A 規定，在調光器的最大與最小調光區間，在穩態交流市電供電電壓下和白熾燈調光器一樣，LED 相控調光工作的音頻噪聲應不大于24dBA，電流波峰因數(CF)不大于3。

4 LED 的調光應用

照明設計師對光質量和光色比較關心，但是在LED 的調光控制過程中會出現調光發光閃爍、LED 燈具不工作的現象，而這些對照明質量會有嚴重影響。

用戶對白熾燈和鹵鎢燈的調光應用體驗是調光過程平滑和調光連續，無調光發光閃爍和燈不工作的現象出現。對LED 調光應用場合，LED 驅動電路對LED 燈具的調光工作特性有很大影響，例如對LED燈具的調光發光閃爍、調光平滑工作特性等會有很大的影響。

LED 用以替換白熾燈，LED 燈接到白熾燈調光器有可能不正常工作，或降低調光控制器的工作壽命，重要的是需要知道LED 負載與調光控制器之間的工作特性關系。

調光器的過載對LED 燈的應用場合是個問題，大部分調光器不會工作于最大負載的工作條件(例如不會超過調光器的最大工作電壓、工作電流和工作功率)，具體使用時不會像直接用40 只15 W 的LED 燈直接替代600 W 的白熾燈應用那么簡單，需要考慮到相控調光器與LED 燈負載的匹配問題。

5 調光發光閃爍的評價

調光發光閃爍的評價方法有發光閃爍百分比和發光閃爍指數兩種，常用的是發光閃爍百分比這個技術指標。發光閃爍百分比和發光閃爍指數的定義分別由圖5 和公式(1)和公式(2)表示。

圖5 發光閃爍的有關參數定義

據統計，不合理的LED 照明調光閃爍會產生神經病學的問題、會引發癲癇病患者發病、頭疼、視覺模糊、眼睛疲勞、使人的運動變慢、降低視覺質量和分散注意力等問題。

合理的LED 照明調光會帶來節能、提高視覺效果、改善周圍環境效果、增加空間靈活性和照明效果滿足感等好處。

6 LED 相控調光主要性能指標要求

由于人們用慣了白熾燈可控硅相控調光器，所以LED 調光器應能兼容可控硅相控調光器。LED 相控調光主要技術指標有調光范圍、調光工作特性曲線、調光工作效率、調光發光閃爍等。

(1)調光范圍常用最大亮度值的百分比表示，例如X%～XX%。使用中，隨著燈發光亮度的降低人眼瞳孔會放大，這樣人眼接收的光線并不很快隨燈發光亮度的降低而降低，如表示為最大發光亮度級的百分數，則人眼接收的光是測得光百分數的均方根值。例如，測得調光電平為最大發光值的10%，則人眼接收的光為的最大發光值，即所謂的心理物理學定律。

(2)在整個調光范圍應平滑調光變化。

(3)燈在最低調光電平時啟動燈發光應很快達到預定的發光值。

(4)運動控制/有無人檢測/光電檢測等部件能控制LED 燈的工作。

(5)達到預定的調光電平后LED 燈發光應穩定，不應有發光閃爍現象。

(6)在整個調光范圍內LED 燈、LED 驅動電源和調光控制器不應有可聞噪聲。

調光對大部分光源可以延長使用壽命，因為在低發光亮度下燈的功耗和發熱降低了，有利于提高光源的使用壽命。

溫度對電子元器件的壽命有重要的影響，低溫對延長電子元器件的壽命有幫助，LED 燈為燈和電子元器件一體的燈，所以整體燈的使用壽命受壽命最短電子元器件壽命制約。調光有利于降低LED 燈工作溫度，有利于LED 燈的光通量維持率和延長LED 燈的使用壽命。

7 評價LED 相控調光系統時需注意的有關問題

相控調光的主要技術問題有調光死時間、爆米花效應、調光閃爍、鬼影、調光瞬間出現、停止工作、音頻噪聲、不可互操作、中途出故障等。常見評價LED 前沿相控調光系統時需注意的有關問題如下。

7.1 100%光輸出

當調光器調至100%位置時和不可調光輸出時光輸出衰減了多少?

7.2 最大調光級

可調光LED 照明系統的最大調光級是多少?

7.3 調光器的物理調節范圍和光輸出特性

(1)調光器的物理調節范圍是多少?相應LED的調光范圍是多少?

(2)在關斷調光器前在低光輸出調節區間的調光光輸出不變的物理調節范圍是多少?

(3)調光器的物理調節位置、光輸出和加到LED燈負載上的電壓有效值(相位角、導通時間、占空比等)是否有關系?

7.4 調光器可調光的LED 數量范圍或最低負載

(1)調光器可以正常調光的LED 負載數量范圍是多少?

(2)白熾燈可控硅相控調光器可帶的最小負載和可控硅的維持電流有關，在最低LED 調光亮度時LED的最小工作電流能否滿足可控硅的維持導通工作電流要求。

7.5 浪涌電流

對白熾燈可控硅相控調光而言，它的浪涌輸入電流和白熾燈燈絲的冷電阻有關，對LED 調光負載這個浪涌輸入電流值要比白熾燈相控可控硅調光要小，以確保可控硅相控調光電路可靠工作。

7.6 最小調光范圍

在可控硅相控調光器的最低調光位置LED 是否還導通工作。

7.7 重復峰值電壓

可控硅的耐壓值有限，使用時應確保LED 使用時的重復峰值電壓低于白熾燈可控硅相控調光器的重復峰值電壓，確保可控硅相控調光電路可靠工作。

7.8 LED 不發光的調光位置

實用中在可控硅相控調光器由最大到最小或由最小到最大調光時有可能在調光器的中間某個位置LED 不工作，使用中的LED 可控硅相控調光器是否有這種現象。

7.9 變色

在LED 可控硅相控調光器調光時是否有LED 發光顏色改變?如有，顏色變化如何?

7.10 調光閃爍

在LED 可控硅相控調光器調光時是否有調光閃爍現象?在LED 可控硅相控調光器調光時是否有頻閃效應?

7.11 可聞噪聲

LED 可控硅相控調光器調光時是否有可聞噪聲?LED 可控硅相控調光器調光時可聞噪聲的出現是否和某些因素有關(例如LED 可控硅相控調光器帶的LED 燈的數量和ED 可控硅相控調光器調光位置等因素有關)?

7.12 導通延遲時間

(1)導通延遲和調光級是否有關?

(2)LED 可控硅相控調光器的最大導通延遲時間是多少?

(3)LED 可控硅相控調光器的導通延遲在調光器的什么位置出現?

(4)當不同的LED 產品接至LED 可控硅相控調光器時這個導通延遲時間是否變化?調光時是否會產生調光“爆米花”效應(調光光輸出閃爍)?

［1］ENERGY STAR?Program Requirements Product Specification for Lamps (Light Bulbs)Eligibility Criteria Version 1.0，DRAFT 3

［2］What You Need to Know about LED Flicker and Dimming，Light fair May 9 -11，2012，Michael Poplawski Pacific Northwest National Laboratory

［3］NEMA Standards Publication SSL 6 -2010，Solid State Lighting Incandescent Replacement Dimming，Approved 2011

［4］NEMA SSL 7A -2013 Phase Cut Dimming for Solid State Lighting:Basic Compatibility

［5］AN-9745，采用FL7730 的TRIAC 調光LED 驅動器設計指南，www.fairchildsemi.com

［6］Solid State Lighting and Lighting Controls Sections National Electrical Manufacturers Association Solid State Lighting for Incandescent Replacement—Best Practices for Dimming 2010 LSD 49 -2010

［7］路秋生，LED 的可控硅調光與應用［J］.今日電子，2011(S):34～37