学习LED 相控调光标准SSL 6 和SSL 7A

路秋生

(北京信息职业技术学院，北京 100070)

1 LED 照明调光的特点

LED 照明具有工作寿命长、显色性好、几乎没有红外辐射、并且不含水银等优点。LED 照明调光具有节能的功效，并且LED 调光可以降低LED 的工作温度，提高LED 灯具和LED 荧光粉涂层的工作寿命。

任何灯具调光工作(LED、荧光灯、卤钨灯、CFL灯)都可以改善照明环境的舒适性。研究证明，合适的照明环境可以提高工作人员的工作效率，降低工作人员的工作疲劳感，使工作人员更满足自己的工作环境。

使用LED 照明时，应使LED、LED 驱动器和控制电路之间相匹配，从而充分发挥LED 照明的优点。并且还需对照明应用场合、所需的调光控制特性和照明控制设备等因素进行综合考虑。

调光范围的大小和应用环境有关，例如，在大厅或走廊，如能使最低调光范围达到20%，而在餐厅如能将最低调光范围调低至1%，调光效果会更理想。

市面上有许多从高压(传统的前沿相控或后沿相控调光控制器)到低压(基于0～10 V、DMX 或DALI调光控制器等)的调光控制器，甚至有些嵌入了无线通信控制功能。许多新照明控制技术的出现，便于用户选用，可以实现高性能、节能和照明效果的有效控制。

目前可以实现LED 调光的方法有很多种，但是现阶段能够被市场普遍接受的调光方式是相控调光。相控调光的主要优点是使用、安装方便，可以在不改动原有线路的情况下安装使用。

由于现有的相控调光器被设计用于钨丝灯(近似电阻负载，功率大多在20 W～50 W)，因此需要一些额外的电路才能使它们用于LED 照明系统。据NEMA 的有关统计，目前市场上有近200 多种相控调光控制器，所以使用中存在LED 相控调光与相控调光器的匹配问题。

相控调光按工作原理可以分为前沿相控调光和后沿相控调光两种。前沿相控调光一般采用可控硅半控功率开关器件，电路结构简单，使用方便。前沿相控调光电路通过控制可控硅的导通角来调节控制输出交流电的有效值，从而达到调光控制效果。

但是可控硅相控调光工作在斩波方式下无法实现电压正弦波输出，因此会出现大量谐波，形成对电网系统的谐波污染。

相控调光加大了输入交流电流有效值IRMS和有关元器件上的应力，可控硅工作电流太低与/或定时电路工作不稳定，降低的VRMS值与/或导通角难于测量，流过调光器的一部分电流没有流过LED 负载，并且这个电流大小不稳定，都会影响相控调光的使用效果。

可控硅前沿相控调光应用在传统的钨丝灯和卤素灯时不仅低成本，而且可达到很好的调光效果，得到了非常好的应用。可控硅前沿相控调光由于在低调光亮度时通过可控硅的电流减小，如调光亮度很低，通过可控硅的电流低于可控硅的维持导通电流时就不能再调光，否则可控硅关断，这对LED 的低调光亮度应用场合会造成影响。

而后沿相控调光电路中使用的是全控功率开关器件(例如功率开关晶体管、功率MOSFET 或IGBT)，开关控制过程可以做的较为平滑，不存在可控硅半控功率器件的导通维持工作电流等问题，后沿相控调光电路的EMI 较可控硅前沿相控电路小，但是电路结构较前沿相控电路复杂，电路造价相对要高些。

2 相控调光角的定义与相控光输出特性要求

在NEMA SSL 6 技术文件中对相控角和相控调光输出特性作了有关规定。对相控角的定义如图1 所示。相控角与相对光输出的工作特性曲线要求如图2所示。LED 调光工作特性应在图2 所示的上限曲线和下限曲线之间，图2 中的白炽灯调光曲线用于调光工作特性说明性目的。对应图2 调光曲线的有关参数要求如表1 所示(针对120 VAC交流市电供电应用场合而言)。图3 表示对相控调光工作特性曲线工作特性的有关技术要求。在图3 中对低调光电平和高调光电平不灵敏区、调光控制起始点、单调调光控制特性、非单调调光控制特性和调光控制范围等工作特性给出了说明。

SSL 6 主要针对基于白炽灯基座的LED 替换灯相控调光应用场合。在2011年v4月给出的SSL 6 勘误表中将相控角40°或更大技术要求，改为相控角40°或更小。在导通角为40°或更低时调光输出应不大于额定光输出值的25%。

图1 NEMA 对相控角的定义

图2 相控角与相对光输出的工作特性曲线要求

图3 对相控调光工作特性曲线工作特性的有关技术要求

表1 对图2 调光曲线的有关参数要求

SSL 6 规定LED 可调光应在产品包装或产品网站上注明以下内容。

(1)适用于大多数白炽灯调光器，在产品网站上应列出适用调光器的型号和数量;

(2)一个调光器能带的LED 灯模组数量;

(3)在最低光输出(非关断)时的相对光输出等内容。

3 调光控制装置与LED 灯或LED模组的连接

NEMA SSL 7A 于2013年v4月22日发布，在SSL 7A 中对调光控制装置与LED 灯或LED 模组的连接做出了如图4 所示的说明。可以看出LED 模组与LED 控制装置的连接可以有三种不同的连接方式。他们分别是，LED 模组与控制装置集成、LED 模组与控制装置通过连线连接和控制装置与多个LED 模组连接的控制方式。

图4 LED 光引擎(LLE)的三种不同连接方式

NEMA SSL 7A 标准中包含了LED 光引擎和LED前沿相控调光控制器的有关设计标准、兼容性测试和有关测试步骤技术要求。NEMA SSL 7A 对一个前沿相控调光控制器带多个可调光LED 光引擎时的兼容性提出了技术要求。LED 光引擎内含有一个或多个LED 模块和LED 控制部件(集成或遥控)，并连接到电源供电电路。

按照NEMA SSL 7A 的技术要求，利用混合负载和信号波形发生器可以降低LED 光引擎和LED 相控调光电路的测试负担，提高LED 光引擎和LED 相控调光电路的兼容性，无需对每只LED 灯和LED 相控调光器与LED 灯的匹配性进行特殊的测试。同时NEMA SSL 7A 也支持数控调光器的应用场合。

NEMA SSL 7A 不限定任何特定的照明产品或应用场合，标准适用于全球各地的交流市电供电电压范围和供电频率范围，标准的兼容性意味着:

(1)前沿相控调光器和LED 光引擎配合使用不会影响其使用寿命;

(2)前沿相控调光器的工作性能满足或超过标准要求的技术特性;

(3)NEMA SSL 7A 标准具有前瞻性，用于设计和高质量的调光器控制器产品和LED 光引擎(LLE)产品(含控制器集成或分离的LED 灯)。但是，不用于决定LED 前沿相控调光器与现有产品的兼容性，或与已有LED 光引擎(LLE)的兼容性。

在新构建一个照明环境时，即可以选用LED 灯或LED 灯具，提供各种各样的照明效果，而对一些照明环境的改进应用场合对LED 灯的使用会有一些限制，应用场合会决定灯具的使用和对调光效果的要求。

具有Edison 灯座的LED 灯可以直接替代白炽灯或螺口CFL 灯的应用场合，Edison 灯座的LED 灯集成了LED 驱动电路，可以用于调光应用场合。而另一些应用场合的LED 灯的驱动电路是外置的，一些LED灯具厂商可以提供不同的LED 驱动电路形式。同样的LED 驱动电路可以采用不同的控制技术(例如调光或非调光应用场合)。

有时用户可以从LED 灯具厂商定制自己需要的LED 驱动电路型式和灯具结构。LED 调光电路应可以实现1%～100%的平滑调光范围，恒流驱动或恒压驱动的LED 驱动电路20%的最低调光下限有时不能满足用户的需求。LED 调光应确保LED 灯具的工作寿命，否则就会降低LED 调光电路的使用价值。

SSL 7A 对标准的适用范围、有关术语、LLE/调光器兼容的有关因素、前沿相控调光控制工作稳定性的有关技术要求、LED 相控调光的技术背景、相控调光、调光器、额定功率、浪涌输入电流、重复峰值工作电流、过载、重复峰值电压、最小导通角、最大导通角、关态工作、测试、调光器通态工作电流、有关标识、最高额定电压、最低负载、关态、工作电压、一个调光器带多个LED 模组时的工作、功率因数、最大有效值电流、光输出、使用调光器时的最大光输出、使用调光器时的最小光输出、调光器的关态工作、测试、调光器的通态工作和调光器的兼容性等技术问题进行了说明。

SSL 7A 规定，在调光器的最大与最小调光区间，在稳态交流市电供电电压下和白炽灯调光器一样，LED 相控调光工作的音频噪声应不大于24dBA，电流波峰因数(CF)不大于3。

4 LED 的调光应用

照明设计师对光质量和光色比较关心，但是在LED 的调光控制过程中会出现调光发光闪烁、LED 灯具不工作的现象，而这些对照明质量会有严重影响。

用户对白炽灯和卤钨灯的调光应用体验是调光过程平滑和调光连续，无调光发光闪烁和灯不工作的现象出现。对LED 调光应用场合，LED 驱动电路对LED 灯具的调光工作特性有很大影响，例如对LED灯具的调光发光闪烁、调光平滑工作特性等会有很大的影响。

LED 用以替换白炽灯，LED 灯接到白炽灯调光器有可能不正常工作，或降低调光控制器的工作寿命，重要的是需要知道LED 负载与调光控制器之间的工作特性关系。

调光器的过载对LED 灯的应用场合是个问题，大部分调光器不会工作于最大负载的工作条件(例如不会超过调光器的最大工作电压、工作电流和工作功率)，具体使用时不会像直接用40 只15 W 的LED 灯直接替代600 W 的白炽灯应用那么简单，需要考虑到相控调光器与LED 灯负载的匹配问题。

5 调光发光闪烁的评价

调光发光闪烁的评价方法有发光闪烁百分比和发光闪烁指数两种，常用的是发光闪烁百分比这个技术指标。发光闪烁百分比和发光闪烁指数的定义分别由图5 和公式(1)和公式(2)表示。

图5 发光闪烁的有关参数定义

据统计，不合理的LED 照明调光闪烁会产生神经病学的问题、会引发癫痫病患者发病、头疼、视觉模糊、眼睛疲劳、使人的运动变慢、降低视觉质量和分散注意力等问题。

合理的LED 照明调光会带来节能、提高视觉效果、改善周围环境效果、增加空间灵活性和照明效果满足感等好处。

6 LED 相控调光主要性能指标要求

由于人们用惯了白炽灯可控硅相控调光器，所以LED 调光器应能兼容可控硅相控调光器。LED 相控调光主要技术指标有调光范围、调光工作特性曲线、调光工作效率、调光发光闪烁等。

(1)调光范围常用最大亮度值的百分比表示，例如X%～XX%。使用中，随着灯发光亮度的降低人眼瞳孔会放大，这样人眼接收的光线并不很快随灯发光亮度的降低而降低，如表示为最大发光亮度级的百分数，则人眼接收的光是测得光百分数的均方根值。例如，测得调光电平为最大发光值的10%，则人眼接收的光为的最大发光值，即所谓的心理物理学定律。

(2)在整个调光范围应平滑调光变化。

(3)灯在最低调光电平时启动灯发光应很快达到预定的发光值。

(4)运动控制/有无人检测/光电检测等部件能控制LED 灯的工作。

(5)达到预定的调光电平后LED 灯发光应稳定，不应有发光闪烁现象。

(6)在整个调光范围内LED 灯、LED 驱动电源和调光控制器不应有可闻噪声。

调光对大部分光源可以延长使用寿命，因为在低发光亮度下灯的功耗和发热降低了，有利于提高光源的使用寿命。

温度对电子元器件的寿命有重要的影响，低温对延长电子元器件的寿命有帮助，LED 灯为灯和电子元器件一体的灯，所以整体灯的使用寿命受寿命最短电子元器件寿命制约。调光有利于降低LED 灯工作温度，有利于LED 灯的光通量维持率和延长LED 灯的使用寿命。

7 评价LED 相控调光系统时需注意的有关问题

相控调光的主要技术问题有调光死时间、爆米花效应、调光闪烁、鬼影、调光瞬间出现、停止工作、音频噪声、不可互操作、中途出故障等。常见评价LED 前沿相控调光系统时需注意的有关问题如下。

7.1 100%光输出

当调光器调至100%位置时和不可调光输出时光输出衰减了多少?

7.2 最大调光级

可调光LED 照明系统的最大调光级是多少?

7.3 调光器的物理调节范围和光输出特性

(1)调光器的物理调节范围是多少?相应LED的调光范围是多少?

(2)在关断调光器前在低光输出调节区间的调光光输出不变的物理调节范围是多少?

(3)调光器的物理调节位置、光输出和加到LED灯负载上的电压有效值(相位角、导通时间、占空比等)是否有关系?

7.4 调光器可调光的LED 数量范围或最低负载

(1)调光器可以正常调光的LED 负载数量范围是多少?

(2)白炽灯可控硅相控调光器可带的最小负载和可控硅的维持电流有关，在最低LED 调光亮度时LED的最小工作电流能否满足可控硅的维持导通工作电流要求。

7.5 浪涌电流

对白炽灯可控硅相控调光而言，它的浪涌输入电流和白炽灯灯丝的冷电阻有关，对LED 调光负载这个浪涌输入电流值要比白炽灯相控可控硅调光要小，以确保可控硅相控调光电路可靠工作。

7.6 最小调光范围

在可控硅相控调光器的最低调光位置LED 是否还导通工作。

7.7 重复峰值电压

可控硅的耐压值有限，使用时应确保LED 使用时的重复峰值电压低于白炽灯可控硅相控调光器的重复峰值电压，确保可控硅相控调光电路可靠工作。

7.8 LED 不发光的调光位置

实用中在可控硅相控调光器由最大到最小或由最小到最大调光时有可能在调光器的中间某个位置LED 不工作，使用中的LED 可控硅相控调光器是否有这种现象。

7.9 变色

在LED 可控硅相控调光器调光时是否有LED 发光颜色改变?如有，颜色变化如何?

7.10 调光闪烁

在LED 可控硅相控调光器调光时是否有调光闪烁现象?在LED 可控硅相控调光器调光时是否有频闪效应?

7.11 可闻噪声

LED 可控硅相控调光器调光时是否有可闻噪声?LED 可控硅相控调光器调光时可闻噪声的出现是否和某些因素有关(例如LED 可控硅相控调光器带的LED 灯的数量和ED 可控硅相控调光器调光位置等因素有关)?

7.12 导通延迟时间

(1)导通延迟和调光级是否有关?

(2)LED 可控硅相控调光器的最大导通延迟时间是多少?

(3)LED 可控硅相控调光器的导通延迟在调光器的什么位置出现?

(4)当不同的LED 产品接至LED 可控硅相控调光器时这个导通延迟时间是否变化?调光时是否会产生调光“爆米花”效应(调光光输出闪烁)?

［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 调光LED 驱动器设计指南，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 的可控硅调光与应用［J］.今日电子，2011(S):34～37