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第12章 照明控制及调光(3)

b.相位调制:是指调制镇流器的工作频率和驱动电路,以控制荧光灯电压与电流之间的相位移。当灯电压与灯电流同相位时,镇流器交付给灯的功率最大;当灯电压与灯电流不同相时,仅有一部分功率递交给灯。由于镇流器负载谐振电路基本呈电感性,频率升高会使相位移增大,灯功率减小,灯光则变暗。相位调制方案同样可利用DC电压控制。

比较简单的可调光电子镇流器都采用模拟调光,采用0~10V/DSI接口信号控制电子镇流器的调光。

一些高端可调光电子镇流器则采用全数字遥控调光技术。全数字荧光灯调光镇流器需使用微控制器或微处理器,并且具有数字可寻址照明接口(DALI)通信能力(DALI将在第3章详细介绍)。调光镇流器专用集成电路(ASIC)是为节电目的而设计的绿色照明芯片。从发展趋势看,全数字调光电子镇流器将成为主流照明电器。

目前高端数字调光电子镇流器都使用微控制器(或微处理器)。微控制器在电子镇流器控制器(如IR21592)与DALI之间充当一个界面。为实现闭环调光、灯故障检测、关闭和重新启动,系统的数字控制部分除提供DALI和必要的电路外,还需要配置相应的软件。

主要包括三个部分,即基于功率因数校正器(PFC)控制IC(如L6561)的PFC升压前置级、基于调光镇流器控制IC(IR21592)的镇流器部分和数字调光控制部分。数字控制部分提供DALI和必需的电路及软件。镇流器可以直接连接到DALI2线的输入(或其所依从的系统)。利用RS-232/DALI变换器连接到PC,其主要目的是用于演示。基于IR21592的镇流器控制电路由PIC16F628微控制器进行程控,IR21592依据从微控制器接收的信号控制镇流器。

(3)LED调光

被称为第4代照明光源的发光二极管(LED),因其节能、色彩丰富、寿命长而受到重视。

经过近几年业界的努力,现在部分应用领域已进入实用阶段。LED光源的发光强度由流过LED的电流决定,电流过强会引起LED的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此,LED的驱动需要提供恒流电源,以保证LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。

LED灯的特点之一是可以调光,但其调光解决方案及规范一直在不断变化,直到现在还未固定下来,所以现在市场上存在PWM、模拟及双向可控硅三种调光方案。PWM和模拟方法是其中较简单的,但需要构建调光基础架构和新的调光控制器。模拟调光是通过改变流过LED的电流大小实现光亮的变化,缺点是:LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间(10颐1调光范围);另外,其电流的改变也会导致色偏现象的产生。

而PWM调光则是保持电流大小恒定,以一定频率开通和关断LED,通过改变开通和关断的时间比来实现调光,因此能保证调光过程中的色纯度。不过,目前PWM调光还有不足之处,主要是PWM调光很容易使得LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声。这个噪声是如何产生的?通常LED驱动器都属于开关电源器件,其开关频率都在1MHz左右,因此在驱动器的典型应用中不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行PWM调光的时候,如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间,LED驱动器周围的电感器和输出电容器就会产生人耳听得见的噪声。所以设计时要避免使用20kHz以下低频段。我们都知道,一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感器,会使得电感器中的线圈之间互相产生机械振动,该机械振动的频率正好落在上述频率,电感器发出的噪声就能够被人耳听见。电感器产生了一部分噪声,另一部分来自输出电容器。现在越来越多的设计者采用陶瓷电容器作为驱动器的输出电容器。陶瓷电容器具有压电特性,这就意味着当一个低频电压纹波信号作用于输出电容器,电容器就会发出吱吱的蜂鸣声。当PWM信号为低时,LED驱动器停止工作,输出电容器通过LED和下端的电阻器进行放电。因此,在PWM调光时,输出电容器不可避免地会产生很大的纹波。总之,为了避免PWM调光时可听得见的噪声,LED驱动器应该能够提供超出人耳可听见范围的调光频率。

双向可控硅调光是业内非常热门的一个话题。最初,双向可控硅调光器是为白炽灯而设计的,但大多数用户希望双向可控硅调光器也能对替代的LED灯进行调光。按照业界的设计标准,入墙式三端双向可控硅调光器通常连接白炽灯或卤素灯这类电阻负载。但LED灯并不属于入墙式三端双向可控硅调光器可以接入的电阻负载,因此如果利用传统的入墙式三端双向可控硅调光器调控LED灯的亮度,调控效果将无法达到最佳状态。目前市场上的LED驱动器会产生频率为120Hz的闪烁,或者无法达到100颐1的调光比。美国国家半导体公司的LM3445型LED驱动芯片已解决上述问题,该芯片可将三端双向可控硅的斩波波形转为调光端(DIM)信号,然后进行解码,从而实现100颐1的调光比,并确保调光稳定,无闪烁发生。新型架构可以确保输入LED的纹波电流恒定不变,有助于延长LED的寿命。

采用LM3445型LED驱动器,可实现LED灯取代目前利用标准三端双向可控硅入墙式调光器的白炽灯和卤素灯。此外,该驱动器还可通过主从操作方式控制多串LED灯。

采用10引脚迷你型SOIC封装的LM3445芯片是一款自适应固定关断时间的交流/直流降压恒流控制器。其特点是内置三端双向可控硅调光译码器,因此可以利用标准的三端双向可控硅调光器执行调光对比极大的LED调光功能。此外,该芯片采用可支持高频操作的架构,可与体积小巧的外置被动元件搭配使用。LM3445芯片的另一特点是内置泄流器电路。每当线路电压下跌至较低水平时,泄流器会容许电流继续流通,以便三端双向可控硅调光器可以继续正常运行。此外,该芯片内置的被动式PFC可以在周期内的大部分时间直接从线路截取电流,为降压稳压器提供恒定的正电压,并确保最低的耗电量。LM3445芯片的优势还包括:过热停机、限流及欠压锁定等保护功能。

2.1.4色彩控制

1)色彩控制原理

在第1.1.5节已介绍过光与颜色的有关知识。我们知道,所有颜色的光都可以由某三种单色光按一定比例混合而成,这三种单色光中的任何一种都不能由其余2种混合产生。

这三种单色光称之为三原色。三原色可以有很多选择方法。1931年CIE规定了RGB系统的三原色为:红光(R):λR=700.0nm;绿光(G):λG=546.1nm;蓝光(B):λB=435.8nm。

2)色彩控制的应用

照明系统的色彩控制主要应用在剧场、多功能厅和歌舞厅的舞台照明和舞池照明系统中。灯光色彩对人的生理和心理会有一定影响。正确运用这些影响,就会加强艺术表现力和气氛感染力,增加舞台、舞厅、演播室的效果,如能产生冷暖感、轻重感、前进后退感和兴奋抑制感等。

常见的改变照明色彩的方法有以下几种:

(1)灯具编组

把照明系统中的灯具编组连接,分别设置不同的颜色(最简单的办法是把大批聚光灯、泛光灯或雨灯编组,分别装上红、黄、蓝、橙、绿色的透明彩纸),用开关或调光台分别控制,需要何种颜色就接通点亮哪一组灯。

(2)采用换色器

在每只灯的头部装上换色器,用电动机带动卷筒转动,通过换色器控制台的操作信号控制,能改换不同颜色的色纸以达到改变灯光颜色的目的。整批灯具的换色器配置专用的控制器进行换色控制操作。这是目前国内剧场舞台灯具使用最为广泛的变色控制方法。缺点是稳定性、可靠性和耐久性至今尚未完全过关。

(3)采用电脑变色灯

在电脑灯控制台的控制下,通过DMX信号控制每只电脑变色灯的色片镜和多棱镜,可以有十多种至数十种色彩变化。这是目前最先进且效果最好的换色控制灯具,但价格较昂贵。

(4)采用LEDRGB光源

随着城市建设发展和物资丰富,人们对生活质量的提高有更高的需求;计算机控制、网络技术,半导体技术的发展,使得原来用于舞台灯光的控制技术也能用于城市景观、旅游景点亮化工程,并且色彩绚丽,控制技术有质的飞跃变化。LED光源是目前城市景观照明中的最优光源。

色彩丰富纯度高、节电是LED灯的特点。LED所发的光,遍及整个可见光谱,而且由于发光颜色纯度很高,色彩十分丰富。如果是其他光源,必须采用滤色片,滤去大部分光,这就造成了浪费,影响光的纯度。LED灯的这一优点使得它特别适合用于需要彩色光的景观照明中。

LED灯的点亮和熄灭都很快,可达纳秒数量级,能瞬时达到全光输出。在亮度调整中,颜色和其他特性不会因调光而变化。采用RGB组合可以产生颜色变幻、色彩追逐、过程渐变、灰度变化、多彩变换的动态变化,实现更好的闪、亮、跳效果,而且变化过程比用其他技术如霓虹灯等大大省电。

2.2模拟调光

2.2.1晶闸管的基本特性及触发电路

1)晶闸管的基本特性

自1958年发明了可控硅(Silicon Controlled Rectifier,SCR)、现用名为晶闸管(thyristor)后,很快就研制出了晶闸管调光器。国外在20世纪60年代末开始将晶闸管调光器用于舞台灯光控制,我国大约在20世纪70年代初也将其应用到了舞台。目前,以晶闸管及其派生器件双向晶闸管(TRIAC)为核心生产的调光器在舞台调光控制中占据主导地位。晶闸管调光器与旧式调光器(电阻器、变压器)相比有体积小、质量轻、功耗低、效率高等显着优点。

更重要的是晶闸管调光器能以弱电控制强电,为舞台上几百路乃至上千路灯的集中控制、亮度预选、遥控、声控、程控以及数字调光(DMX512)、网络调光、无线调光等新技术的应用创造了有利的条件,使包括计算机控制台在内的各种功能丰富的大型灯光控制台的功能得以实现,使舞台灯光技术和艺术进入了一个全新的时代。

根据电力电子学的知识,晶闸管是一种功率器件,只要给它的控制极施加一个触发信号(弱电),就能控制强电系统的导通、截止和电流大小的变化。晶闸管具有体积小、质量轻、功耗低、效率高、寿命长及使用方便等优点。它的应用范围十分广泛,形成了许多应用单元电路,如整流、电子开关、调光、调速、调压、控制等。

晶闸管的种类很多,但最常见的是普通单向晶闸管和双向晶闸管。晶闸管应用单元电路主要由主回路和触发电路两部分组成。

晶闸管导通并能正常工作的条件是:除了在晶闸管的阳极与阴极间加上必要的电压外,还必须在控制极加上适当的触发信号。产生和控制触发信号的电路称为晶闸管触发电路。

2)晶闸管的触发电路

常用的几种触发电路如下。

(1)双向二极管触发电路

采用双向二极管来触发双向晶闸管,是小功率晶闸管调压系统中常用的触发电路。

(2)集成电路触发电路

能达到调光要求的集成电路触发电路种类繁多,同步取样部分从主回路电压过零点产生,U1为同步脉冲。锯齿波发生部分产生于同步脉冲控制的锯齿波电压U2。比较器部分将锯齿波U2与直流控制电压U3相比较,产生方波脉冲U4(U2<U3时产生)。脉冲形成与隔离部分产生晶闸管触发所需要的相互隔离的两相触发脉冲。

(3)晶闸管数字触发电路

模拟调光控制系统中的晶闸管器件是通过0~10V直流电压触发控制达到导通、截止和电流大小变化。随着数字化的发展,在数字调光控制系统中遇到一个如何用数字信号触发晶闸管的技术问题。

早期开发的数字调光控制系统,从数字调光台送来的数字控制信号,先经过专门的解码器,把数字信号变换成0~10V的直流信号,再去触发晶闸管。

这样的调光器被称为半数字调光器。随后不久,人们即解决了用数字信号直接触发控制晶闸管的技术,开发出真正的“全冶数字调光器,由于其具备许多优势,正逐步取代半数字调光器。

如前所述,晶闸管模拟调光的原理是通过改变晶闸管的导通角准实现电压控制。改变导通角,实际上就是改变从工频交流电的过零点开始到晶闸管导通的时间。如果把正弦波的半周期划分成若干份,每一份依次对应一个顺序数,使数字与导通角一一对应,即实现导通角的数字化。若调光器输出的交流电压分为N级,则将正弦波的半周划分成N-1份,共N个点。这样只要从工频交流电过零点获得同步信号后,将计数器置N,然后在时序信号作用下以适当的频率作减法计数。每作一次减法,将计数器的数字与以存入寄存器的各调光器的亮度数据逐一作比较,若相等即向对应的调光回路发出触发信号,控制晶闸管导通。这就实现了数控调光。

下面详细介绍数字相位控制触发的基本原理。

数字相位控制触发是近年来发展成熟的晶闸管数字触发技术。

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