LED照明調(diào)光設(shè)計(jì)方案

1、LED 照明調(diào)光設(shè)計(jì)方案本文針對(duì)現(xiàn)有的調(diào)光方案進(jìn)行解析。并提出幾項(xiàng)大膽的預(yù)測(cè)：(1) 硅控調(diào)光器將和白熾燈一起走入歷史(2) 電子調(diào)光器與遙控調(diào)光器也沒(méi)有市場(chǎng)前景 (3)EZDimming 是唯一通用可行的調(diào)光方案 ,也將成為無(wú)所不在的調(diào)光方式。1.照明需求基準(zhǔn)首先讓我們先了解照明需求的基準(zhǔn)與調(diào)光節(jié)能的關(guān)鍵。照明設(shè)計(jì)須考慮光源強(qiáng)度 , 和被照物或被照平面所得到的光通量。光源強(qiáng)度的計(jì)量單位是流明 (Lumen) 。照度 的計(jì)量單位是 Lux 。兩者之間的關(guān)系是 1Lux=1Lumen/m2假設(shè)我們有一座 10W 的 LED 燈 ,發(fā)出來(lái)的總光通量是600Lumens 。如果這600Lumens

2、全部集中在一平方米的桌面 , 那桌面的照度就是 600Lux 。(1) 商用照明 -明亮的食物 ,尤其是漢堡、海鮮、燒烤等可以刺激食欲。所以蛋糕店、 漢堡速食店、餐館的櫥窗要有 1000Lux 以上的照度。珠寶、名表、衣飾店 ,也必須 要有明亮的照度 ,以刺激購(gòu)買。精密工業(yè)、彩色印刷、博物館、畫廊、眼鏡店、3C賣場(chǎng)、書店、打字、制圖、診療室都要有 1000Lux 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(chǎn)線 , 則要有 300-800Lux 。(3) 非工作場(chǎng)合 -如車站、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、大樓大廳、病房、走廊、樓梯間、廁所,則100-300Lux 即可。公

3、園、停車場(chǎng)、與街道則可以低到 10-50Lux 。(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 100-300Lux 。適度的照明 ,對(duì)商店的競(jìng)爭(zhēng)力 ,絕對(duì)有顯著的影響。便利商店、百貨公司一樓的重點(diǎn) 專柜,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(gòu)買。 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(jī)場(chǎng)的 入境與出境大廳 ,照度嚴(yán)重不足。比起香港機(jī)場(chǎng)與成田機(jī)場(chǎng)的明亮程度,更讓人感覺(jué)桃園機(jī)場(chǎng)的老舊、冷清。只有免稅商店區(qū),店家都是燈火通明。表一、各場(chǎng)所照明的基準(zhǔn)luxl 3000100030010030102. 調(diào)光節(jié)

4、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(jié)約能源。不過(guò)在有些時(shí)段和情況，如果可以把燈光調(diào)到較暗的程度（2550%）,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(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、停車場(chǎng)、街道、公園、百貨商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院、病房、工廠，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(diào)暗 一部分，以節(jié)省電費(fèi)。3. 現(xiàn)有主要調(diào)光

5、裝置常見的調(diào)光器包括硅控調(diào)光器（Triacdimmer）（前切式），電子式調(diào)光器（后切式），與遙控調(diào)光器（紅外線或RF式）。(1) 電子式調(diào)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(一般墻壁開關(guān)只有接往一條交流電線，無(wú)法提供電源予電子線路),裝置成本高。(2) 遙控調(diào)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(diào)光器產(chǎn)品。價(jià)格相當(dāng)昂貴，可調(diào)光的燈泡售價(jià)約是無(wú)調(diào)光燈泡兩倍。遙控器另計(jì)，通常要價(jià)在$30$50。遙控調(diào)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

6、相同廠牌的調(diào)光器，所以沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)格。也就是因?yàn)楦鲝S牌互相無(wú)法相容，所以現(xiàn)有市場(chǎng)很小，未來(lái)也不太可能普及。GE、Toshiba、 Pan aso nic尚未推出遙控調(diào)光照明產(chǎn)品，相信不會(huì)采用競(jìng)爭(zhēng)者的產(chǎn)品規(guī)格。諸大廠 各行其是，就像手機(jī)的充電器一樣 ，Nokia、Samsung、LG、Motorola都互不相容。(3) 硅控調(diào)光器-電子式調(diào)光器、遙控調(diào)光器裝置成本高，又無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以古老的硅控調(diào)光器采用量稍多。雖然硅控調(diào)光具有許多缺點(diǎn)，但是因?yàn)椴挥酶淖兘泳€，裝置成本較低,各廠牌硅控調(diào)光器的性能和規(guī)格差別不大，是許多LED照明廠目前選擇的調(diào)光方案。表二、市面上可見的 TriacDimmableLE

7、DLight in gDriverICSSL21O1LM3445IW3610可支援調(diào)光器Triac dimmer Transistor dimmerTnac dimmer Trans FStor dimmerTriac di mmerTransistordimmerInput voltage buffer方式Passive RFCPassive PFCBoost fra nV endPower MOSFET內(nèi) it 600V,15W MOSFET外接兩潁 MOSFET外接兩羈 MOSFET驅(qū)動(dòng)線路架構(gòu)'RybackBuckorflybackRyback宣稱最高效率約75站約 85% (

8、buck)75%Bleeder 損耗釣需用iw約需用iw不明4. 硅控調(diào)光器的缺點(diǎn)但是硅控調(diào)光器會(huì)成為未來(lái) LED照明的主流調(diào)光方式嗎？答案是相當(dāng)不樂(lè)觀的。首 先來(lái)檢討硅控調(diào)光器的工作原理與其先天的缺點(diǎn)。硅控調(diào)光器主要構(gòu)成元件包括：(1) 硅控管 -用來(lái)截取交流電壓部分導(dǎo)通角度 ,以改變燈具的輸入功率(2)RtCttimer-Rt 為可調(diào)電阻 ,用來(lái)改變硅控管導(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài), 直到流通的電流降到 hold-upcurrent( 維勞電流 )準(zhǔn)位以下。硅控調(diào)光器原來(lái)是為純電阻性負(fù)載的白熾燈專用的,通常是無(wú)法匹配螢光燈與省電燈泡

9、 (CFL) 。硅控調(diào)光器的主要缺點(diǎn)包括：(1)功率因數(shù)會(huì)變差 ,導(dǎo)通角愈短 ,功因就愈差。調(diào)到 1/4 亮?xí)r ,功因?qū)⒌陀?0.25 。(2) 效率會(huì)變差 ,因?yàn)樵谡{(diào)暗時(shí) ,負(fù)載不足 ,會(huì)造成硅控管提早關(guān)閉 ,導(dǎo)致 RCtimer 與導(dǎo) 通角錯(cuò)亂。更造成螢光燈或 LED 燈操作無(wú)法穩(wěn)定 ,而閃爍不定的問(wèn)題。欲解決閃爍 問(wèn)題 ,通常要加裝電阻 (bleederordummyload) 。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(diào)光節(jié)能的立意。(3) 匹配問(wèn)題 ,要開發(fā)一種與市面上數(shù)十廠牌硅控調(diào)光器,都保證相容的可調(diào)光 LED燈具,是相當(dāng)困難的。硅控調(diào)光

10、器的匹配問(wèn)題,請(qǐng)參閱 NXPApplicationNoteAN10754 。(4) 高裝置成本 ,雇請(qǐng)一個(gè)電氣工人來(lái)裝置硅控調(diào)光器至少需要$30 至$50 。(5) 有限的既有市場(chǎng) ,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硅控調(diào)光器。 不管是在歐美 ,日本 ,或新興國(guó)家 ,硅控調(diào)光器事實(shí)上 都不普及。據(jù)統(tǒng)計(jì) , 全美國(guó)包括家庭、商店、工廠與辦公室 , 全部加起來(lái)約有七十億 燈管和燈泡。平均每個(gè)人備有 28 顆燈泡。但是裝有調(diào)光器者 ,不到 1% 。照明大廠對(duì)硅控調(diào)光器前景不看好的幾個(gè)實(shí)例就是上述Philips 、Sharp 推出的遙控調(diào)光器。但是不管硅控調(diào)光器或

11、是遙控調(diào)光器,整個(gè)照明產(chǎn)業(yè) ,顯然沒(méi)有共識(shí)?；蛘呤钦f(shuō) ,當(dāng)消費(fèi)者不能接受昂貴的調(diào)光方案 ,而品牌廠商只有興趣生產(chǎn)高利潤(rùn)的遙控調(diào) 光器時(shí) , 調(diào)光節(jié)能環(huán)保的美意就無(wú)疾而終了。所以就如前述 ,我們現(xiàn)在處于 3G 、 4G 世代的電子業(yè)對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)光功能卻束手 無(wú)策 ,實(shí)在很諷刺。事實(shí)上 ,無(wú)法提供調(diào)光功能 ,是照明業(yè)者長(zhǎng)久以來(lái)的一個(gè)窘境。 LED 照明業(yè)者 ,必須果斷地突破這個(gè)僵局。 更佳者 ,若能開創(chuàng)出一種接近零成本 ,不需要改變接線 ,不需要遙控調(diào)光器 ,又能維持高效率與高功因 ,又能立即被普遍采用的 調(diào)光方式 ,就能讓 LED 照明更可以和省電燈泡競(jìng)爭(zhēng)。調(diào)光功能的突破,對(duì)整個(gè) LED照明產(chǎn)

12、業(yè) ,是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵。5. 四段調(diào)光在照明這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) ,最可行的標(biāo)準(zhǔn) ,就是原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)。最容易的方案 ,就是不需改 變現(xiàn)狀。LED 照 明 產(chǎn) 業(yè) 是 一 種 漸 進(jìn) 演 變 , 不 能 改 變 現(xiàn) 有 照 明 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 建 設(shè) (infra-structure) 。不管是燈具造型 (PAR38,PAR30,A19,MR16,T8,T12), 燈具接頭 (E27,E26,E17,G13forT8,T12), 都很難再改變。 到目前為止 ,比較成功的 LED 照明的 產(chǎn)品 ,都是造型和使用方式與傳統(tǒng)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(huì)沿用傳統(tǒng)風(fēng)格。比起造型

13、怪異的省電燈泡,古典造型的 LED 燈泡自然會(huì)更受到消費(fèi)者的喜愛(ài)。我們可以推測(cè) ,最可行的調(diào)光方式 ,就是不制定新標(biāo)準(zhǔn) ,不改變現(xiàn)況 ,不需要改變接線 , 不增加任何調(diào)光器 , 就能達(dá)到調(diào)光功能的一種方案。在這樣的條件之下,我們直覺(jué)想到可以利用的 ,就只有在最基本的 wallswitch 上動(dòng)腦筋了。四段調(diào)光 - 在臺(tái)灣大部分家庭的客廳 ,都裝有可切換燈泡數(shù)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(dāng)墻壁開關(guān)切換數(shù)次,控制板就透過(guò)幾個(gè)繼電器(relay) 來(lái)改變點(diǎn)亮燈泡的數(shù)目。但是四段調(diào)光器必須外接線路板 ,而且是改變點(diǎn)燈的數(shù)目。如何把四段調(diào)光做進(jìn)單 一燈泡之內(nèi) ,的確需要?jiǎng)?chuàng)

14、意。以往有使用MCU 來(lái)偵測(cè)墻壁開關(guān)切換次數(shù) ,并改變螢光燈電子安定器的輸出功率 ,但是線路板元件相當(dāng)多 ,成本也不低。6. EZDimming把調(diào)光功能內(nèi)建在一顆 MSOP-10 的 LED 驅(qū)動(dòng)器之內(nèi) ,沒(méi)有任何其他外接零件的需 要。同時(shí)在各段調(diào)光準(zhǔn)位時(shí) ,都能維持高效率與高功因。 因?yàn)?EZDimming 結(jié)合了正 弦降壓線路 (sinusoidalbuck), 或正弦正激線路 (sinusoidalforward) 的專利驅(qū)動(dòng)技術(shù) , 所以能輕易達(dá)到這種高功因、高效率、線路最小、成本最低的調(diào)光方案。EZdimming 偵測(cè) wallswitch 切換次數(shù) ,來(lái)改變調(diào)光準(zhǔn)位。 自全亮開始

15、 ,循序降到六分 亮 ,四分亮 ,二分亮。并且在任何調(diào)光階段 ,都維持高于 0.90 的功因、高于 80% 的效 率。切換柔和 ,完全沒(méi)有突波電流或噪音的現(xiàn)象。 線路精簡(jiǎn) ,幾乎是零增加硬體成本。比較其他各式現(xiàn)有的調(diào)光方案，EZDimmi ng 不只是賦有超越性的功能優(yōu)勢(shì),而且不需要改變接線或任何硬體設(shè)備，裝置成本最低。只要將傳統(tǒng)的燈泡、日光燈管或者 省電燈泡拆卸下來(lái),再裝上一顆配有EZDimming的LED燈泡或燈管，立即可以將一 個(gè)原先毫無(wú)調(diào)光功能的照明器具或系統(tǒng)，改成一個(gè)具有調(diào)光功能、節(jié)能環(huán)保的照明系統(tǒng)。圖一 GM6182高功因、高效率、具有 EZDimming功能的LED驅(qū)動(dòng)器0 5A

16、fl£HD06 i&OOV. O SA)130VACAZ V*AG V-Cje2l1nF. ETD15 _43kV 9&TA61712T1W LED *8D4.D5. ES2GImHQ|：FD03W< «0V, 3.40 aAOD350 500V 30圖二EZDimming四段調(diào)光的準(zhǔn)位說(shuō)明：左側(cè)A燈進(jìn)行四段調(diào)光，右側(cè)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、EZDimmi ng四段調(diào)光準(zhǔn)位的功因Power Set LevelMeasured Power InputMeasured Power FactorInitial on100%8.7W0.982Toggle once60%5.1W0.979Toggle tvice40%3.3W0.953Toggle thrice20%rL5W0.922照明消耗發(fā)電系統(tǒng)的 20%電力。近年來(lái)，世界各國(guó)相繼立法，欲淘汰低效率的白熾 燈。省電燈泡雖然價(jià)格低廉，發(fā)光效率也很高，但是其含汞及使用大量玻璃 ，很不符合 環(huán)保宗旨。LED照明具有比省電燈泡更環(huán)保、不放射紫外線等優(yōu)點(diǎn)，但是目前價(jià)格