新世代的LED照明調光設計

面對一個(gè)看似非常簡(jiǎn)單的調光功能需求，現代的3G、4G、云端運算世代的電子業(yè)卻束手無(wú)策。當紅的媒體寵兒--智慧電網(wǎng)--對照明控制也完全無(wú)能為力。這難免讓人懷疑整個(gè)智慧電網(wǎng)的概念，純粹是一場(chǎng)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(gè)古老的元件--SCR硅控管?設計一個(gè)調光功能，真的有那N難嗎?

其實(shí)困難點(diǎn)是在裝置成本與市場(chǎng)的不確定性。若能自硅控調光器的優(yōu)缺點(diǎn)以及其他調光方案裝置成本來(lái)分析，許多困惑將可以澄清。

本文針對現有的調光方案進(jìn)行解析。并提出幾項大膽的預測：

(1) 硅控調光器將和白熾燈一起走入v史

(2) 電子調光器與遙控調光器也沒(méi)有市場(chǎng)前景

(3) EZ Dimming 是唯一通用可行的調光方案，也將成為無(wú)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(guān)S。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(guān)S是 1 Lux = 1 Lumen/m2

假設我們有一座 10W的led燈，發(fā)出來(lái)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I包、漢堡、海鮮、 燒烤等可以刺激食j。所以I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、表、衣飾店，也必須要有明亮的照度，以刺激購買(mǎi)j。精密工業(yè)、彩色印刷、博物館、畫(huà)廊、眼鏡店、3C賣(mài)場(chǎng)、書(shū)店、打字、制圖、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(chǎng)、生產(chǎn)線(xiàn)，則要有 300-800 Lux。

(3) 非工作場(chǎng)合 -- 如車(chē)站、機場(chǎng)、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(chē)場(chǎng)、與街道則可以低到 10-50 Lux。

(4) 非營(yíng)業(yè)時(shí)段 -- 商用照明、一般照明在非營(yíng)業(yè)時(shí)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(zhù)的影響。便利商店、百貨公司一樓的重點(diǎn)專(zhuān)柜，包括化妝品、珠寶，照度都超過(guò)2000Lux。照明不足，就不會(huì )吸引注意力與購買(mǎi)j。若照明過(guò)度不足，還會(huì )增加人員的疲憊感與睡意。一個(gè)明顯的例子就是桃園機場(chǎng)的入境與出境大廳，照度嚴重不足。比起香港機場(chǎng)與成田機場(chǎng)的明亮程度，更讓人感覺(jué)桃園機場(chǎng)的老舊、冷清。只有免稅商店區，店家都是燈火通明。

表一、 各場(chǎng)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(chǎng)合提供足夠的照度。但是燈光消耗電力，在不需要時(shí)關(guān)掉燈光是可以節約能源。不過(guò)在有些時(shí)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%)。

許多公用建筑或場(chǎng)所，如機場(chǎng)、車(chē)站、碼頭、停車(chē)場(chǎng)、街道、公園、百貨商場(chǎng)、學(xué)校、醫院、病房、工廠(chǎng)，在夜晚不宜把燈光全部關(guān)掉，否則有行動(dòng)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(chǎng)所，在下班后維持適度的照明，也可以方便加班工作的員工，并避免治安的死角。

24小時(shí)營(yíng)業(yè)的便利商店、加油站、旅館等，也可以在深夜生意較清淡時(shí)，把燈光調暗一部分，以節省電費。

3.現有主要調光裝置

常見(jiàn)的調光器包括硅控調光器 (Triac dimmer) (前切式) ，電子式調光器 (后切式)，與遙控調光器 (紅外線(xiàn)或RF式)。

(1) 電子式調光器 -- 可以添加許多先進(jìn)功能。但是必須施工，更改燈具接線(xiàn) (一般墻壁開(kāi)關(guān)只有接往一條交流電線(xiàn)，無(wú)法提供電源予電子線(xiàn)路)，裝置成本高。

(2) 遙控調光器 -- 可以添加許多先進(jìn)功能。但有遙控器昂貴，容易遺失，公共場(chǎng)合不適用等問(wèn)題。目前飛利浦與Sharp都有照明遙控調光器產(chǎn)品。價(jià)格相當昂貴，可調光的燈泡售價(jià)約是無(wú)調光燈泡兩倍。遙控器另計，通常要價(jià)在$30 ~$50。遙控調光器另一缺點(diǎn)就是容易遺失，尤其是在公共的場(chǎng)所如學(xué)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(chǎng)牌的調光器，所以沒(méi)有統一規格。也就是因為各廠(chǎng)牌互相無(wú)法相容，所以現有市場(chǎng)很小，未來(lái)也不太可能普及。

GE、Toshiba、Panasonic尚未推出遙控調光照明產(chǎn)品，相信不會(huì )采用競爭者的產(chǎn)品規格。諸大廠(chǎng)各行其是，就像手機的充電器一樣，Nokia、Samsung、LG、Motorola 都互不相容。

(3) 硅控調光器 -- 電子式調光器、遙控調光器裝置成本高，又無(wú)統一標準，所以古老的硅控調光器采用量稍多。雖然硅控調光具有許多缺點(diǎn)，但是因為不用改變接線(xiàn)，裝置成本較低，各廠(chǎng)牌硅控調光器的性能和規格差別不大，是許多LED照明廠(chǎng)目前選擇的調光方案。

表二、 市面上可見(jiàn)的Triac Dimmable LED Lighting Driver IC

4.硅控調光器的缺點(diǎn)

但是硅控調光器會(huì )成為未來(lái)LED照明的主流調光方式嗎?答案是相當不樂(lè )觀(guān)的。首先來(lái)檢討硅控調光器的工作原理與其先天的缺點(diǎn)。

硅控調光器主要構成元件包括： (1)硅控管--用來(lái)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(lái)改變硅控管導通角度 (3) Diac--一種擊發(fā)硅控管的元件。注意：硅控管在擊發(fā)之后就維持導通狀態(tài)，直到流通的電流降到 hold-up current (維M電流) 準位以下。硅控調光器原來(lái)是為純電阻性負載的白熾燈專(zhuān)用的，通常是無(wú)法匹配螢光燈與省電燈泡 (CFL) 。

硅控調光器的主要缺點(diǎn)包括：

(1) 功率因數會(huì )變差，導通角愈短，功因就愈差。調到1/4亮時(shí)，功因將低于0.25。

(2) 效率會(huì )變差，因為在調暗時(shí)，負載不足，會(huì )造成硅控管提早關(guān)閉，導致 RC timer與導通角錯亂。更造成螢光燈或LED 燈操作無(wú)法穩定，而閃爍不定的問(wèn)題。欲解決閃爍問(wèn)題，通常要加裝流電阻 (bleeder or dummy load)。如此一來(lái)，用bleeder來(lái)消耗功率以維持硅控管的正常操作，就違背了原先調光節能的立意。