籲請禁用矽控調光器

來源:新綠科技  Ken Liu

矽控調光器就跟白熾燈、含鉛汽油一樣糟糕

照明消耗全球近20%的電力。比起已開發國家,開發中國家的照明耗電量比重更高。白熾燈雖然便宜,但效率十分低落。如果全面更換省電燈泡或固態照明,全世界可以少建上百座的發電廠,並每年減少幾千萬噸的二氧化碳排放量。如今歐盟已經計畫在2009年至2016年逐步淘汰白熾燈;美國也預計在2010年至2014年逐步禁用大部分的白熾燈。雖然日本還沒通過類似立法措施,但一領導照明品牌公司,東芝,已經在2010年3月全面關閉其白熾燈生產線,結束其120年製造燈泡的歷史。另一方面,中國正積極地建立其大規模LED照明產業。中國、印度、和日本禁用白熾燈,也是幾年內一定會發生的事。

兩馬相爭: 省電燈泡與LED照明

白熾燈淘汰之後,一般家用及商用照明將是省電燈泡CFL與LED照明雙雄競爭的局面。LED照明因諸多功能超越省電燈泡,因此被各方看好為二十一世紀照明首選。LED照明的優點包括:

1.     LED不含有毒物質,但省電燈泡有一定含量的汞。
2.     不同於省電燈泡,LED不排放紫外線。
3.    LED照明效率現在和省電燈泡相近,但其效率正持續增高,而價格也越來越便宜。
4.     LED燈泡壽命比省電燈泡長了好幾倍。日本松下電器宣稱他們的LED燈泡有19年的壽命。
5.     LED燈泡在低溫-40度C的環境裡仍可正常運作,但大多數省電燈泡在低於10度C就很難啟動或操作。

許多產業分析師預測LED燈泡將在2015年全面取代省電燈泡。這觀點是依據近年來LED與CCFL產品在其他市場競爭的結論。他們注意到LED背光在手機、平板電腦、筆記型電腦等應用已將CCFL背光推向淘汰的邊緣,所以市場專家們很有把握預測LED背光在2012年會取代CCFL背光在LCD 電視和LCD螢幕的應用。以此看來,LED照明在5年後超越CFL照明是很合理的推測。

潛在破壞者

許多工程師和公司在LED照明技術的突破性成就為我們帶來這次照明革命,我們該為他們鼓掌致意。然而,我們很憂心矽控調光器這潛在破壞者會侵蝕、甚至推翻LED照明革命所帶來的大部分好處。

我們知道可調光照明可以進一步提高節能效果。但是在三種主要的LED調光照明中,矽控調光器就像一隻猙獰怪物,吞食著我們努力發展可調光照明所得到的成果。

矽控調光器的黑暗面

矽控調光器的調光方式是截斷部分提供燈泡的正弦交電流波形。如此一來,矽控調光燈泡的功率因數經常低於0.5。但注意一點,功率因數是有關於電源效率和電力品質的重要指標。完美的功率因數為1.0。只有同相位的正弦電流,並且諧波失真為零,才能達到1.0的功因。近年來,在許多電子電氣設備的電流波形諧波失真上,EN/IEC 61000-3-2標準有相當嚴格的規範。過去,大多電腦電源的功率因數為0.5至0.7。而現在EN 61000-3-2及其他政府規範,如美國能源部能源之星,要求電視、電腦等電氣設備的電源至少要達0.9的功率因數。
 
再者,矽控調光LED燈泡必須加上一些電容緩衝電路,才能避免燈泡在調光時產生閃爍。但這麼做會使原本已經很低的功率因數變得更低,往往低於0.10。同時,供電線路電流波形將變成為一連串的突波電流。電流波形諧波失真會遠超過規定限度。就筆者超過三十年的電子業經驗來看,沒有任何其他產品會像矽控調光器一樣對功率因數和電流波形造成如此嚴重傷害。
 
圖一為矽控調光器在不同調光準位的電流波形。我們可以清楚看到不同調光準位時低落的功因和嚴重的電流突波。


 
圖一 矽控調光器在不同調光準位的電流波形


洩流電阻

除此之外,矽控調光器表面上是省電節能裝置,其實不然。雖然矽控調光器可以降低白熾燈的耗電量,但不代表它用於矽控調光LED燈泡上也可以省電。這是因為在調光時,LED燈泡對傳統的矽控調光器是個小負載。但負載太小,會使得矽控元件開關不穩定,導致LED燈泡嚴重閃爍。大家都知道要修正這種閃爍問題,需在矽控調光LED燈泡中加入假負載或洩流電阻。但是通常洩流電阻在調光狀態,必須消耗1W至2W才能有效克服閃爍問題。

這種採取洩漏電阻的做法揭露了矽控調光LED燈泡的黑暗一面,即低效率和過度的待機功耗。請注意,能源之星計畫在不久的將來要提升固態照明燈具發光效率至56 lm/W。很明顯地,矽控調光LED燈泡是無法達到這項持續提高燈具效率的要求。此外,能源之星已規定大多數的電子設備待機功耗,包括電話、電視、和電腦等等。現今,個人電腦和電視的待機功耗已經小於1W。而能源之星的下一目標是將許多小型電器待機功耗降至0.3W以下。照明的總消耗電量遠超過其他小型電器,對其待機功耗的規範將更為重要。

另外,能源之星固態照明計畫對於關機狀態有零功耗的規定。在深度調光時,矽控調光燈功能應該等同於關燈狀態或待機模式。但事實上,其洩流電阻浪費超過1W的電力。

矽控調光LED燈泡無法達到能源之星的規範,不論是功率因數、燈具效率,或是關燈狀態功耗。

如上所述,矽控調光器有數個無法有效解決的根本缺陷。矽控調光器是所有電子設備裡最嚴重違反節能和電力品質的怪物。因此,採用矽控調光LED燈泡只會幫忙散播其惡果至全國各地電力網絡。

噩夢可能會是這樣展開: 一主要城市將其所有的商業和住宅照明加裝矽控調光器。在午夜時分,大多數的辦公大樓、工廠、和家庭將可調光照明設定成深暗模式。沒人注意到這些燈具在120Hz頻率同時形成突波電流。嚴重電流諧波失真造成噪音,干擾了通訊網路、電視、收音機、電腦和家用電器。有些系統故障了,無法使用。同時,電流突波也傳至發電廠的渦輪發電機。發電機開始振動。發電廠必須在振動無法控制之前關掉渦輪發電機。

矽控調光器對功率因數的損害,及破壞電源供電品質並浪費待機電力的程度,是無以倫比。

矽控調光器是上個世紀遺留的產物。即使它已經存在半個世紀之久,但其破壞功率因數這項本質上的缺陷仍舊無法解決。就像同時代的含鉛汽油一樣,或者是加一點汞到螢光燈裡頭,矽控調光器給人一種很快克服問題的錯覺。但幾十年過去了,我們現在必須為當初的無知付出沉重的代價。很不幸的,有一些公司可能是不了解,另外有一些公司則是無視於矽控調光器的缺陷,持續開發與矽控調光器匹配的LED 照明產品。

我們呼籲各電力公司,政府監管機構,環保團體,以及科技團體能深入了解矽控調光器與矽控調光燈具的黑暗面。我們建議,矽控調光器及燈具應受到能源之星相同的規範,必須在調光模式中,在功因、效率、和待機模式功耗等方面都達到各種規範的要求。如果不能達到規範的要求†,我們希望主管機關能早日宣告矽控調光器不適用於節能照明應用上。

註: 其實,任何一位電力電子學專家都可以告訴你,矽控調光器傷害功率因數與電流波型的先天缺陷,是無法解決的。

替代矽控調光器的選擇

那什麼可以取代矽控調光器呢? 現在有兩種主要的替代方式,一是遙控調光器,另一個是EZ dimming。

遙控調光器是利用紅外線或無線電波來傳輸控制訊號,類似電視或冷氣的遙控器。他們主要缺點是成本太高。在天花板或燈具內安裝紅外線或無線接收器,其成本必定遠高於一般不可調光燈具。另外必須克服的是,各品牌的遙控器必須相容。不幸的是,一牽涉到制定業界公用的標準,各品牌廠商都以自身利益為優先,各行其是,很難達成共識。

EZ dimming是新綠科技所發明的新一代調光技術。EZ dimming保證是成本最低的解決方案。它整合所有調光控制功能在一顆可調光LED驅動IC上。而且EZ dimming燈可以使用原本的牆壁開關,不用重新佈線,不用改造,也不需要額外的硬體設施。

實際上,EZ dimming LED燈平常操作方式就跟不可調光燈完全一樣。把牆壁開關打開就全亮,把開關關掉就全暗。

如果夜間想調暗走廊、洗手間、辦公大廳、停車場,或是深夜時調降公共建築物,如醫院、學校、火車和公車站等場所的燈光,將牆壁開關切換一次 (快速關-開牆壁開關的動作),就可以調暗燈光至60%亮度。第二次切換可至40%亮度,第三次則到20%亮度,再一次切換就會回到全亮狀態。

要直接從任一調光準位跳至全亮,你只要在牆壁開關的關閉狀態停留超過1.5秒之後再打開,燈就會全亮。若要直接從任一電力準位跳至全暗,只要將牆壁開關切到關閉狀態。

圖二顯示EZ調光燈泡在不同調光準位的電流波形。交流電流波形皆為圓滑曲線,沒有突波。不論在哪一個調光準位,功因皆維持在0.9以上。


 
圖二 EZ調光燈泡在不同調光準位的電流波形



圖三. EZ調光燈泡的操作方式


零成本調光方案

其實絕大部分場合,我們只需要對一般照明增加一種簡單的調光功能。也就是說辦公室、商店、和學校、醫院等公共建築,平常只是全開或全關;只有在夜間、下班、 或歇業時,可以將部分場所的燈光調降。EZ dimming 的四段調光,已經可以滿足這種基本調光的需求。情境燈光,檯燈,及其他需要無段式調光的場所,就請廠商各自發展遙控或其他調光方案,但是必須通過功因 、效率、和待機功耗等規範。

新綠科技EZ dimming LED照明驅動IC,GM6182,在四段調光中皆有超過0.90的高功因,超過80%的高效率。另外,GM6182不使用洩流電阻或電解電容,也不用重新佈線,不用遙控器,也不需要額外的硬體設施。幾乎是以零實施成本,做到了優良的調光功能。

GM6182亦可相容於紅外線和無線遙控調光設計。詢問更多訊息,請參考新綠科技網站: http://www.green-mark.com 。

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