照明工程中的调光设备与协议详解Word文件下载.docx

1、图 3.1 采用自耦变压器的调光原理虽然和前两种调光器一样， 调光的原理都是基于串联分压， 但自耦变压器调光器与灯具构成串联分压的部分是感抗， 理论上不消耗电能， 因此不会产生大量的发热现象， 这也是自耦变压器调光器的最大优点，但也同样存在控制回路少、操作不便等缺点。为了提高调光操作的机械化程度， 可变电阻调光器和自耦变压器调光器都相继出现了用电机驱动相关装置， 从而实现了 “自动化” 调光的产品， 但控制回路增多时带来的体积庞大、成本过高、可靠性差、功能单一等问题始终难以根除。因此，当可控硅调光器问世后，这些基于串联分压的调光器产品，迅即成为了历史。4可控硅调光器可控硅是可控硅整流器（ Si

2、licon-Controlled Rectifier ，缩写 SCR）的简称，是一种受控的半导体开关器件，有单向和双向之分。单向可控硅有一个阳极、一个阴极和一个触发极，触发极中流入一定“触发”电流后，可控硅触发导通，电流从阳极流向阴极。双向可控硅无阳极和阴极之分， 触发导通后， 电流可双向流动。 如果将双向可控硅和灯具串联后接入市电，在触发极上施加触发脉冲， 可控硅将在导通和截止两种状态上作周期性变化， 即工作于开关状态。 由于可控硅工作于开关状态， 与其串联的灯具得到的将是断续的离散电压， 其发光强度取决于离散电压的平均值， 而这个平均电压又取决于可控硅导通和截止的时间之比， 即取决于离散电

3、压的占空比。 因此， 只要控制可控硅的导通角，改变离散电压的占空比，即可改变落到灯具上的平均电压， 最终达到调整灯具发光亮度的目的， 这就是可控硅调光器的基本工作原理。图 3.2 是双向可控硅的电路符号、实物外观及一款 12 路可控硅调光器的内部构造。图 3.2 双向可控硅的符号、实物及调光器产品2盐水调光器、 可变电阻调光器、 自耦变压器调光器的本质是可变电阻，而可控硅调光器的本质则是电子开关。 前者和灯具构成的是串联分压关系，通过改变分压比， 改变了灯具上的峰值电压， 从而改变了灯光的亮度；后者和灯具形成的是开关控制关系，通过改变可控硅的触发相位，控制其导通角，即可改变灯具上的平均电压，从

4、而实现了对灯光亮度的控制。基于串联分压原理进行调光的缺点是电能利用率低，发热严重， 优点是不改变电压的波形，灯具上得到的是和电网电压完全一样的正弦波，只是幅度发生了变化。以可控硅作为电子开关，通过控制其“开”与“关”的时间之比进行调光，优点是可控硅本身的耗电极少，电能利用率极高，易于扩充控制通道数目，并且很容易实现数字化、智能化的远程控制。但是，用可控硅调光也有一个严重的问题：灯具上得到的不再是连续的正弦波电压，而是离散的电压脉冲。 脉冲波中存在大量的谐波成分，极易形成对外的谐波辐射， 对周围的控制系统，特别是音、 视频系统形成干扰， 影响其他设备的正常工作。所以，可控硅调光器的每个输出回路中

5、都要串联电感扼流圈，对高次谐波进行抑制。除正弦波外， 所有的脉冲波都是由多个不同频率和振幅的正弦波叠加而成的。在这些正弦波中， 频率最低的正弦波叫做基波，频率为基波整数倍的那些正弦波分量叫做谐波，如二次谐波、三次谐波、高次谐波等。一般来说，基波部分因为频率较低，不容易形成对外的电磁辐射， 但高次谐波的频率相对较高，如果屏蔽不好， 很容易转化为电磁波的能量形式辐射到空中， 这种现象叫做谐波辐射。 扼流圈即将漆包线绕在磁环上的电感线圈，与可控硅形成串联关系，对频率较高的谐波呈现出较大的感抗，从而扼制了高次谐波的电磁辐射。另外，扼流圈的存在使可控硅从导通到灯具上得到一个稳定的工作电压，有一个延迟时间

6、，这个时间叫做上升时间。上升时间的定义是在一定条件下，流向灯具的电流从10% 增大到 90%所需要的时间。扼流圈的电感量越大，电流上升的速度越慢，上升时间就越长，对高次谐波的过滤量越大，输出的电压越纯净，对外干扰越小。另一方面，扼流圈的电感量越大，其体积也就越大，成本越高，而且电能损耗也越大，发热量也越多。因扼流圈的电感量不同， 可控硅调光器的上升时间一般在100 s 至 600 s 之间。上升时间较小的调光器， 整体参数和成本也较低，适用于小型会议、演出和一般的娱乐场所；上升时间大的调光器， 通常具有更高的电气指标和整机成本，适用于大型演艺场馆和分布式调光系统。另外， 更长的上升时间，意味着

7、流过负载的电流变化更加缓慢，不管是对光源还是可控硅本身，都具有更好的防护作用。5正弦波调光器为了克服可控硅调光器存在谐波辐射的问题，近几年来， 正弦波调光器逐渐出现在一些新筹建的大型新闻演播室中。正弦波调光器采用IGBT （ Insulated Gate Bipolar Transistor ，绝缘栅双极晶体管）大功率晶体管，所以又叫晶体管调光器。IGBT 广泛地用于变频空调、变频冰箱中，作为调光器的核心器件是其另一个重要的应用方向。正弦波调光器也是以开关方式工作，通过脉冲宽度调制和低通滤波等技术，向负载提供幅度连续可控的正弦波电压， 从而在保持了可控硅调光器电能利用率高这一优点的同时，还基本

8、上根除了谐波干扰， 并且很容易实现设备的小型化，堪称是性能理想的最新一代调光器，但因其 价格昂贵（约为同等规模可控硅调光器价格的2-3 倍），极大地其制约了其替代可控硅调光器的普及速度。图 3.3 是某品牌的国产正弦波调光器。2.1.2硅箱硅箱是可控硅调光器的俗称。 因为核心控制器件是可控硅，整个控制电路又是装在一个机箱里，所以硅箱就成为了可控硅调光器的“行业术语”。1硅箱的种类3根据控制信号的性质，硅箱有模拟式、数字式和网络式三种。模拟硅箱采用 0-10V 的模拟电压控制灯具的发光状态， 现在已较少使用。 数字硅箱具有 DMX512 接口， 通过 DMX 协议控制灯具的各种功能与发光状态，

9、是目前使用最为普遍的硅箱类型。 网络硅箱在数字硅箱的基础，添加了符合 TCP/IP 协议的网络接口，通过以太网络传送 DMX512 控制数据，是灯光控制系统的发展方向。根据控制规模和应用场合， 硅箱可分小型、 大型和流动硅箱等类别， 下面基于这一分类标准对硅箱作一简要介绍。小型硅箱小型硅箱又叫手提式硅箱，一般有 6 至 12 个硅路，一个硅路即一个调光通道，可控制一路灯具，负荷一般为 3kw-6kw ，上升时间一般不超过 200 s，体积小巧，经济实用，安装方便，适用于小型剧场、演播室或一般的流动性演出，也有做成吊挂式的小型硅箱，硅路较少，体积小巧，特别适用于空间紧凑的演艺场所，如图 3.5

10、所示。宏大且长期固定不动的场合。具有网络接口的大型网络硅箱，支持以太网 IEE802.3 协议，可通过网络远程设置和集中控制， 具有灯光在线状态诊断等功能， 可同时接收两路以上的 DMX 信号，具有两个以上的全数字高精度热备份触发系统， 正越来越多地出现在网络式调光系统中。大型硅箱（调光立柜）的外观如图 3.6 所示。尽管一个大型硅箱就有数十到上百个硅路， 但在一些大型的剧场、会堂、 体育场馆等，仅常规照明灯的调光回路就多达上千路，一个“立柜”远远满足不了要求，需要十几个大型硅箱“协同作战” 。图 3.7 是某省人民大会堂的硅柜室中由 10 台大型网络调光立柜组成的 “硅柜群”，通过网络接口与

11、调光控制室相连。图 3.7 大型调光系统中的硅柜群流动硅箱流动硅箱的硅路一般为 12-24 路，每路最大负荷 3kw-6kw ，上升时间 250 s 左右。流动硅箱多带有四个万向轮， 移动方便， 具有相对中庸的性能指标， 适于外景拍摄照明和流动性演出活动，外观如图 3.8 所示。4还有一种把多个小型硅箱以及一个 4U 电源箱装于一个飞行箱内的“流动”硅箱，最下面是一台专为硅箱供电的电源配电箱，可以简化调光器的接线工作，如图 3.9 所示。严格说来，这是装于飞行箱内的“组合式”硅箱（ Dimmer Rack），虽然和真正的一体化流动硅箱具有类似的应用领域，但却不属于同一种硅箱类型。对于采用 DM

12、X512 协议控制的硅箱，多台组合使用时，应通过 DMX512 专用电缆将上一台的 DMX 输出和下一台的DMX 输入连接起来，在第一台硅箱上设置 DMX 起始码，在最后一台硅箱的 DMX 输出接口上接一终端器（有关 DMX 起始码设置及终端器方面的内容见后面的介绍） 。目前已出现带有 TCP/IP 网络接口的流动式硅箱，支持双数字触发、设备地址软配线等先进功能。 基于这类流动式网络硅箱可以构成大型流动式网络调光系统， 是未来流动演出灯光系统的发展方向。2硅箱的主要电气参数及控制性能硅箱的主要电气参数及控制性能有额定功率、 电源效率、 调光曲线、上升时间、预热时间及控制协议等。额定功率（ Ra

13、ted Power ）额定功率是指每个硅路的最大负荷能力， 一般为 3kw-6kw 。多个灯具可并联接入同一个硅路，但参与并联的各灯具功率之和不能超过硅路的额定功率。 比如，三个各为 1kw 的 PAR灯并联后可以接入一个额定功率为 3kw 的硅路，但如果是四个以上的 1kwPAR 灯并联后接入额定功率为 3kw 的硅路，将引起过载保护或硅路损坏。电源效率（ Power Supply Efficiency ）电源效率是指硅箱传送到灯具上的总功率与所消耗的电网总功率之比，一般不小于95%。硅箱本身的功耗主要来自可控硅导通时的等效阻抗和扼流圈的直流阻抗与负载的串联分压，在工作电压为 220V 时，

14、这个分压一般不超过 10V 。输出保护（ Overload Protection ）当硅路出现过载、 短路或硅箱内部温度超过设定值时， 硅箱内应该具有空气开关、 继电器或保险丝等保护装置保护硅箱不因过载等原因而损坏。 如果因箱内温度过高而产生保护动作，当温度降至设定值（一般为 64左右）以内时，硅箱应能自动重启。高压隔离（ High-Voltage Isolation ）硅箱内部由控制电路、 被控制电路和保护电路等构成， 被控制电路即硅箱向灯具提供工作电压的每一个硅路， 属于高压电路， 必须和其它电路相隔离， 否则会对人身及设备安全构成潜在危险。 所谓高压隔离， 就是将包括控制接口在内的控制电

15、路、 检测与保护电路等与功率元件和电路形成电隔离状态， 以保障人身及设备安全。 硅箱中的隔离元件一般是光电耦合器，由于控制与被控制电路是电光电的关系， 除连接灯具的输出端口和电源输入端口外， 硅箱的其它接口都处于弱电状态， 不会危及人身安全。 按有关标准， 硅箱的控制和被控制电路的隔离等级一般不小于 1500V 。直通回路（ Thru Output ）直通回路用来为不需要调光的灯具及舞台设备等直接供电， 也可以为其它硅箱提供工作电源，多数硅箱都有 3-12 个不等的直通回路。上升时间（ Rise Time）上升时间指硅箱触发导通后输出电流从 10升至 90所经历的时间。上升时间主要决定于所采用

16、的扼流圈参数，性能良好的硅箱应在 200 s 以上。调光曲线（ Dimming Curves/Dimmer Profile ）调光曲线是指硅箱输出到灯具上的电压与调光控制台上推杆控制百分比之间的函数关系。大多数硅箱都有多条厂家预置好的调光曲线， 部分指标更高的硅箱还支持用户自定义设5置与存贮。常用的调光曲线有线性曲线、 S 型曲线、二次方曲线和三次方曲线等，如图 3.10所示。图 3.10 调光器常用的几种预置调光曲线类型不同的灯光场景需要不同的调光曲线。人眼对光线最敏感的区域是亮度 25%以下的范围，所以二次方和三次方曲线最符合人眼的视觉特性， 具有更宽的调节范围， 也特别适合电视摄像的照明

17、规律， 如无特别情况， 应优先选用。 某些戏剧艺术的调光照明和人物造型则更适合选用 S 型或线性调光曲线。预热（ Pre-heat ）由于硅箱控制的灯具通常都采用卤钨灯这类热辐射光源， 如果从冷态迅速过渡到最大发光状态， 极易发生爆裂损坏。 硅箱提供的预热功能可以在刚开始工作时， 首先自动地向灯具提供较低的输出电压， 此时灯具的发光很暗， 基本不为观众感知。 光源经过一定时间的预热后，再转入正常调光状态， 可有效地防止光源在开机瞬间因电流和温度的突变而造成的损坏。预热设置可以针对某一个硅路， 也可以包括所有的硅路， 但不包括直通回路。 预热时间和预热幅度均可通过菜单命令在较宽的范围内予以调整，

18、 一般预热时间设为几十秒， 预热幅度设为最大输出的 5%到 10% 即可。当硅箱和调光台都不具备预热功能时，也可以将调光控制台的调光推子只轻推一点，使灯泡微亮，处于压光状态，预热一分钟左右后，再推亮一点，待光源充分预热后再正式进入工作状态。和预热设置相反的另一种设置是最大功率设置（ Top-Set），比如将某一硅路或全部硅路的最大功率输出设置为 90%，此时调光至 90%后，光源的发光亮度即到达设定的极限。硅箱的最大功率限制这一功能可以在一定程度上延长光源的工作寿命， 缺点是灯具的发光亮度不能达到其标称最大值。和预热设置一样，最大功率设置对直通回路无效。场景备份 （ Cue Backup）将各

19、个硅路的调光状态预先设置并存贮下来（记录场景） ，在需要的时候再将记录的场景数据导入到控制电路，使各受控灯具快速切换到预先备份的状态（演绎场景） ，这个功能叫场景备份，简称场，英文是 Cue。因 Cue 的发音和字母 Q 相近，所以场景备份也叫 Q 场备份， 简称场或 Q。场景备份有点类似电视机的频道预置和存贮， 大部分功能比较完善的数字硅箱都可以通过菜单对场景号、 运行时间、 当前场景的调光状态及欲连接的下一个场景数据等进行编辑并存贮。 更多的时候， 场景备份由调光控制台来完成， 因此即使不具备场景备份功能的硅箱，通过调光控制台同样可以实现场景的编辑、存储与演绎功能。有些功能完善、 性能指标

20、更高的硅箱还有淡入淡出 （两个场景的灯光亮度可以有一段时间的交叉淡变，类似电视镜头的叠化转场） 、工作状态智能反馈（可将硅箱的工作状态及故障信息自动返回并报告给设备管理人员） 、应急控制（当控制系统，如调光控制台失效后，可使用后备场景数据继续控制灯具的工作状态） 、双备份控制（采用两个单片机控制系统，6当前系统出现故障时，另一个控制系统自动接替工作） 、自动负载检查（可对每一硅路的负载状态，如开路、短路等，进行检测并显示相关信息）及自动三相负载平衡跟踪（可以对三相负载的平衡状况自动跟踪检测， 并向设备管理者显示状态图表， 甚至在三相负载失衡时自动予以补偿，确保了各相硅路的调光一致性） 。3硅箱

21、的使用要点正确使用输出端口每一条硅路都要通过某种规格的输出插座与灯具相连。 不同硅箱配用的输出端口有所不同，常用的有两种，一种是胶木插座，另一种是 19 芯防水插座（ SOCAPEX 19 PIN ）胶木插座都有与其硅路相对应的编号，插座和硅路的关系固定而清晰。 19 芯插座有 19条芯线，对应 6 个硅路的输出。也就是说，一个 19 芯插座只能连接 6 路负载，当硅箱的硅路数目分别为 12 路或 24 路时，需要两个或四个 19 芯插座， 在默认条件下， 第一个 19 芯插座的 1 芯和 2 芯对应硅路 1，即通道 1（ CH1 ），3 芯和 4 芯对应硅路 2（ CH2 ）。19 芯插座的

22、第 19 芯为空置状态， 13 到 18 芯接地。 下一个 19 芯插座的 1 芯和 2 芯对应硅路 7，3 芯和 4 芯对应硅路 8，如图 3.12 所示。图 3.12 默认条件下 19 芯插座和硅路的对应关系同一款硅箱的输出端口，或采用胶木插座，或采用 19 芯插座，当然也可能采用其他标准的插座，一般不会出现两种或两种以上插座共存的情况。采用 19 芯插座时，要使用配套的 19 芯插头和专用电缆连接硅箱和灯具。 另外，还要进行跳线设置 （参见图 3.14），以确定硅路和 19 芯插座的通道对应关系。通过跳线设置，也可以将硅箱的同一个硅路连接到 19芯插座的多个通道针脚上， 只要连接灯具的总

23、负荷不超过硅路的额定输出功率即可。 灵活地使用跳线可极大地提高流动硅箱的利用率和现场演出的工作效率。对于进口的硅箱，可能会出现多种不同的插座規格，如美式、英式、德式、日式、法式等。这些不同标准的插座虽然外观各异， 但总体上都和胶木插座类似， 每一个插座和硅路的对应关系非常清晰，只要使用相应的插头和电缆将其与灯具一一相连即可。注意三相负载平衡因硅箱的负载功率很大， 为了使供电电缆的线径不至于太粗， 除部分硅路较少、 负载较轻的小型硅箱外， 大部分硅箱都采用三相供电。 采用三相供电的硅箱， 在工作时除了要保证每路负荷不得过载外， 还要尽量使各相负荷处于平衡状态。 采用三相供电的硅箱， 其硅路数目通

24、常是 3 的整数倍，如 3、6、9、12、24 路等，以保证各相的均衡。如果各相负载严重失衡，将会破坏三相交流电的平衡状态， 在零线中产生很大的电流 （我国的工业标准要求三相负载失衡所导致的零线电流不得超过相电流的 25%）。另外，各相负载严重失衡还会使负载重的一相电压被拉得较低。 各相负荷相差越大， 其电压差别就越大， 导致工作于不同相电压7下的同类灯具，在调光状态一样时，发光亮度出现较为明显的差别。因此，在配接灯具时，要均衡地使用各相端口， 保证三个相电压的硅路所带负载的功率尽可能地相等。 只有 9 个调光回路和 3 个直通回路的可控硅调光器简化电路如图 3.13 所示，供使用时参考。图

25、3.13 简化的硅箱内部电路图 3.13 中， ABCNE 表示三相五线制， ABC 为三个相线， N 为零线，使用中要可靠接大地， G 为搭壳接地线，要与设备的机箱外壳相连（采用三相四线制的硅箱没有此线） 。如果现场没有三相电，在负载不是太重或供电电缆线径足够大的前提下，也可将 ABC 三个相线连在一起接单相电的火线，原三相电的零线端子还是接单相电的零线。CH1-CH9 为 9 个硅路的输出端口，每相有三个， 12 和 24 个硅路的硅箱，每相有 4 个和 8 个。 SW1-SW9 是与硅路一一对应的 9 个空气开关，也有个别的低成本产品采用保险丝代替空气开关。图中的 A1 、 A2 和 A

26、3 为三个电压指示表，用以显示每个相电压的负载电流大小，各相负荷是否均衡由此一目了然。L1 、 L2 和 L3 为三个指示灯，也是用来指示每相电压的负荷状况。图中的 I-V （电流电压）感应线圈可以把流经各相线路的电流成正比地转换为电压， 供显示仪表和指示灯工作。 通过再添加一个单刀三掷开关和一个交流电压表，还可以轮流地指示三个相电压的实际大小。图中的风扇用于排散可控硅和扼流圈产生的热量，通过添加温度传感器和控制电路， 可以智能地转动或停止， 比如只要有一个硅路开始工作，风扇即开始转动，全部硅路关断三分钟后，风扇停转。图 3.14 是兼容模拟接口的数字硅箱译码触发电路，图 3.15 是某流动硅箱的部分面板功能，供结合上图对硅箱的基本功能与原理进行理解。图 3.14 数字硅箱译码触发电路8再强调一点：使用硅箱时，要严格按操作手册上的步骤和注意事项进行，还要特别注意，在连接硅箱与调光控制台及配接灯具时，一定要在关断主电源的状态下进行，严禁带电操作。因为硅箱是用强电工作， 且功耗很大，所以要注意用电安全， 务必做好接地和绝缘保护，并在送电前认真检查连线是否正确、规范，确保人身及设备的安全。2.2 调光控制台调光控制台