新世代的LED照明調光設計

摘要

面對一個看似非常簡單的調光功能需求,現代的3G、4G、雲端運算世代的電子業卻束手無策。當紅的媒體寵兒--智慧電網--對照明控制也完全無能為力。這難免讓人懷疑整個智慧電網的概念,純粹是一場炒作的泡沫鬧劇而已。

絕大部分的電子電機工程師都感到同樣困惑,為何談到照明調光,我們還是要依靠一個古老的元件--SCR矽控管?設計一個調光功能,真的有那麼難嗎?

其實困難點是在裝置成本與市場的不確定性。若能自矽控調光器的優缺點以及其他調光方案裝置成本來分析,許多困惑將可以澄清。
 
本文針對現有的調光方案進行解析。並提出幾項大膽的預測:
(1) 矽控調光器將和白熾燈一起走入歷史
(2) 電子調光器與遙控調光器也沒有市場前景
(3) EZ Dimming 是唯一通用可行的調光方案,也將成為無所不在的調光方式。


1.照明需求基準
首先讓我們先了解照明需求的基準與調光節能的關係。照明設計須考慮光源強度,和被照物或被照平面所得到的光通量。光源強度的計量單位是流明 (Lumen)。照度的計量單位是 Lux。兩者之間的關係是 1 Lux = 1 Lumen/m2
假設我們有一座 10W的LED檯燈,發出來的總光通量是600 Lumens。如果這600 Lumens全部集中在一平方米的桌面,那桌面的照度就是 600 Lux。
(1) 商用照明 -- 明亮的食物,尤其是麵包、漢堡、海鮮、 燒烤等可以刺激食慾。所以麵包蛋糕店、漢堡速食店、餐館的櫥窗要有 1000 Lux 以上的照度。珠寶、鐘表、衣飾店,也必須要有明亮的照度,以刺激購買慾。精密工業、彩色印刷、博物館、畫廊、眼鏡店、3C賣場、書店、打字、製圖、診療室都要有1000 Lux照度。
(2) 一般照明 -- 辦公室、教室、量販店、一般店面、咖啡店、快餐館、工廠、生產線,則要有 300-800 Lux。
(3) 非工作場合 -- 如車站、機場、醫院、大樓大廳、病房、走廊、樓梯間、廁所,則100-300 Lux即可。公園、停車場、與街道則可以低到 10-50 Lux。
(4) 非營業時段 -- 商用照明、一般照明在非營業時段,可以降到100-300 Lux。

適度的照明,對商店的競爭力,絕對有顯著的影響。便利商店、百貨公司一樓的重點專櫃,包括化妝品、珠寶,照度都超過2000Lux。照明不足,就不會吸引注意力與購買慾。若照明過度不足,還會增加人員的疲憊感與睡意。一個明顯的例子就是桃園機場的入境與出境大廳,照度嚴重不足。比起香港機場與成田機場的明亮程度,更讓人感覺桃園機場的老舊、冷清。只有免稅商店區,店家都是燈火通明。

表一、 各場所照明的基準



2. 調光節能
燈光是人為照明,在夜晚或自然光不足的場合提供足夠的照度。但是燈光消耗電力,在不需要時關掉燈光是可以節約能源。不過在有些時段和情況,如果可以把燈光調到較暗的程度 (25~50%),也是可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。
許多公用建築或場所,如機場、車站、碼頭、停車場、街道、公園、百貨商場、學校、醫院、病房、工廠,在夜晚不宜把燈光全部關掉,否則有行動不方便或治安的顧慮。
辦公大樓的大廳、廁所、走廊、樓梯間等場所,在下班後維持適度的照明,也可以方便加班工作的員工,並避免治安的死角。
24小時營業的便利商店、加油站、旅館等,也可以在深夜生意較清淡時,把燈光調暗一部分,以節省電費。

3.現有主要調光裝置
常見的調光器包括矽控調光器 (Triac dimmer) (前切式) ,電子式調光器 (後切式),與遙控調光器 (紅外線或RF式)。
(1) 電子式調光器 -- 可以添加許多先進功能。但是必須施工,更改燈具接線 (一般牆壁開關只有接往一條交流電線,無法提供電源予電子線路),裝置成本高。
(2) 遙控調光器 -- 可以添加許多先進功能。但有遙控器昂貴,容易遺失,公共場合不適用等問題。目前飛利浦與Sharp都有照明遙控調光器產品。價格相當昂貴,可調光的燈泡售價約是無調光燈泡兩倍。遙控器另計,通常要價在$30 ~$50。遙控調光器另一缺點就是容易遺失,尤其是在公共的場所如學校、辦公大樓等地方。
更糟的是,這兩者都有燈具需要搭配相同廠牌的調光器,所以沒有統一規格。也就是因為各廠牌互相無法相容,所以現有市場很小,未來也不太可能普及。
GE、Toshiba、Panasonic尚未推出遙控調光照明產品,相信不會採用競爭者的產品規格。諸大廠各行其是,就像手機的充電器一樣,Nokia、Samsung、LG、Motorola 都互不相容。
(3) 矽控調光器 -- 電子式調光器、遙控調光器裝置成本高,又無統一標準,所以古老的矽控調光器採用量稍多。雖然矽控調光具有許多缺點,但是因為不用改變接線,裝置成本較低,各廠牌矽控調光器的性能和規格差別不大,是許多LED照明廠目前選擇的調光方案。

表二、 市面上可見的Triac Dimmable LED Lighting Driver IC


4.矽控調光器的缺點
但是矽控調光器會成為未來LED照明的主流調光方式嗎?答案是相當不樂觀的。首先來檢討矽控調光器的工作原理與其先天的缺點。
矽控調光器主要構成元件包括: (1)矽控管--用來截取交流電壓部分導通角度,以改變燈具的輸入功率 (2) RtCt timer--Rt為可調電阻,用來改變矽控管導通角度 (3) Diac--一種擊發矽控管的元件。注意:矽控管在擊發之後就維持導通狀態,直到流通的電流降到 hold-up current (維繫電流) 準位以下。矽控調光器原來是為純電阻性負載的白熾燈專用的,通常是無法匹配螢光燈與省電燈泡 (CFL) 。
矽控調光器的主要缺點包括:
(1) 功率因數會變差,導通角愈短,功因就愈差。調到1/4亮時,功因將低於0.25。
(2) 效率會變差,因為在調暗時,負載不足,會造成矽控管提早關閉,導致 RC timer與導通角錯亂。更造成螢光燈或LED 燈操作無法穩定,而閃爍不定的問題。欲解決閃爍問題,通常要加裝洩流電阻 (bleeder or dummy load)。如此一來,用bleeder來消耗功率以維持矽控管的正常操作,就違背了原先調光節能的立意。
(3) 匹配問題,要開發一種與市面上數十廠牌矽控調光器,都保證相容的可調光LED燈具,是相當困難的。矽控調光器的匹配問題,請參閱NXP Application Note AN10754。
(4) 高裝置成本,雇請一個電氣工人來裝置矽控調光器至少需要 $30至 $50。
(5) 有限的既有市場,目前大部分辦公室及商店照明都以螢光燈為主;而幾乎所有的螢光燈都不能匹配矽控調光器。不管是在歐美,日本,或新興國家,矽控調光器事實上都不普及。據統計,全美國包括家庭、商店、工廠與辦公室,全部加起來約有七十億燈管和燈泡。平均每個人備有28顆燈泡。但是裝有調光器者,不到 1%。
照明大廠對矽控調光器前景不看好的幾個實例就是上述Philips、Sharp推出的遙控調光器。但是不管矽控調光器或是遙控調光器,整個照明產業,顯然沒有共識。或者是說,當消費者不能接受昂貴的調光方案,而品牌廠商只有興趣生產高利潤的遙控調光器時,調光節能環保的美意就無疾而終了。
所以就如前述,我們現在處於3G、4G世代的電子業對一個簡單的調光功能卻束手無策,實在很諷刺。事實上,無法提供調光功能,是照明業者長久以來的一個窘境。LED照明業者,必須果斷地突破這個僵局。更佳者,若能開創出一種接近零成本,不需要改變接線,不需要遙控調光器,又能維持高效率與高功因,又能立即被普遍採用的調光方式,就能讓LED照明更可以和省電燈泡競爭。調光功能的突破,對整個LED照明產業,是一個非常重要的關鍵。

5.四段調光
在照明這種傳統產業,「最可行的標準,就是原來的標準。最容易的方案,就是不需改變現狀」。
LED 照明產業是一種漸進演變,不能改變現有照明系統的基礎建設 (infra-structure)。不管是燈具造型 (PAR38, PAR30, A19, MR16, T8, T12),燈具接頭 (E27, E26, E17, G13 for T8, T12),都很難再改變。到目前為止,比較成功的LED照明的產品,都是造型和使用方式與傳統的燈泡和燈管很類似。日系LED照明廠在造型方面通常比較會沿用傳統風格。比起造型怪異的省電燈泡,古典造型的LED燈泡自然會更受到消費者的喜愛。
我們可以推測,最可行的調光方式,就是不制定新標準,不改變現況,不需要改變接線,不增加任何調光器,就能達到調光功能的一種方案。在這樣的條件之下,我們直覺想到可以利用的,就只有在最基本的wall switch 上動腦筋了。
四段調光 -- 在台灣大部分家庭的客廳,都裝有可切換燈泡數目的控制裝置。其原理是有一塊控制板,裝在客廳吊燈上方。當牆壁開關切換數次,控制板就透過幾個繼電器 (relay) 來改變點亮燈泡的數目。
但是四段調光器必須外接線路板,而且是改變點燈的數目。如何把四段調光做進單一燈泡之內,的確需要創意。以往有使用MCU來偵測牆壁開關切換次數,並改變螢光燈電子安定器的輸出功率,但是線路板元件相當多,成本也不低。

6.EZ Dimming
就是採取用四段調光的基本概念,但把調光功能內建在一顆MSOP-10的 LED驅動IC 之內,沒有任何其他外接零件的需要。同時在各段調光準位時,都能維持高效率與高功因。因為EZ Dimming結合了正弦降壓線路(sinusoidal buck),或正弦正激線路 (sinusoidal forward) 的專利驅動技術, 所以能輕易達到這種高功因、高效率、線路最小、成本最低的調光方案。
EZ dimming偵測wall switch切換次數,來改變調光準位。自全亮開始,循序降到六分亮,四分亮,二分亮。並且在任何調光階段,都維持高於0.90的功因、高於80%的效率。切換柔和,完全沒有突波電流或噪音的現象。線路精簡,幾乎是零增加硬體成本。
比較其他各式現有的調光方案,EZ Dimming不只是賦有超越性的功能優勢,而且不需要改變接線或任何硬體設備,裝置成本最低。只要將傳統的燈泡、日光燈管或者省電燈泡拆卸下來,再裝上一顆配有EZ Dimming的LED燈泡或燈管,立即可以將一個原先毫無調光功能的照明器具或系統,改成一個具有調光功能、節能環保的照明系統。

圖一  GM6182 高功因、高效率、具有EZ Dimming 功能的LED 驅動IC



圖二  EZ Dimming 四段調光的準位



說明: 左側A燈進行四段調光,右側B燈維持全亮度
左上: A燈全亮     右上: A燈60%亮     右下:A燈40%亮     左下: A燈20%亮

表三、  EZ Dimming 四段調光準位的功因



結論

照明消耗發電系統的20%電力。近年來,世界各國相繼立法,欲淘汰低效率的白熾燈。省電燈泡雖然價格低廉,發光效率也很高,但是其含汞及使用大量玻璃,很不符合環保宗旨。LED照明具有比省電燈泡更環保、不放射紫外線等優點,但是目前價格偏高。所以LED照明需要提供一個省電燈泡所欠缺的調光功能,才能在這一波的白熾燈替代潮流中,很快爭取到主要的市佔率。
若能讓所有現有照明系統都改成高效率,而且具有調光功能的LED照明器具,對全世界環保節能將有很大貢獻。
現有的矽控調光器、電子市調光器、遙控調光器都有許多難以克服的缺點。EZ Dimming結合了正弦降壓線路,或正弦正激線路的專利驅動技術,所以能達到高功因、高效率、最低成本、立即可用的調光方案。EZ Dimming無疑是最佳的調光方式,也是協助LED照明完成第三次照明革命的重要發明之一。

作者:Ken Liu 新綠科技

RSS RSS     print 列印     mail 分享     announcements 線上投稿        
瀏覽人次:19497
【免責聲明】
1、「LEDinside」包含的內容和資訊是根據公開資料分析和演釋,該公開資料,屬可靠之來源搜集,但這些分析和資訊並未經獨立核實。本網站有權但無此義務,改善或更正在本網站的任何部分之錯誤或疏失。
2、任何在「LEDinside」上出現的資訊(包括但不限於公司資料、資訊、研究報告、產品價格等),力求但不保證資料的準確性,均只作為參考,您須對您自主決定的行為負責。如有錯漏,請以各公司官方網站公佈為準。
3、「LEDinside」資訊服務基於"現況"及"現有"提供,網站的資訊和內容如有更改恕不另行通知。
4、「LEDinside」尊重並保護所有使用用戶的個人隱私權,您註冊的用戶名、電子郵寄地址等個人資料,非經您親自許可或根據相關法律、法規的強制性規定,不會主動地洩露給協力廠商。
【版權聲明】
「LEDinside」所刊原創內容之著作權屬於「LEDinside」網站所有,未經本站之同意或授權,任何人不得以任何形式重制、轉載、散佈、引用、變更、播送或出版該內容之全部或局部,亦不得有其他任何違反本站著作權之行為。