一種LED照明調(diào)光設(shè)計

/一種LED照明調(diào)光設(shè)計面對一個看似特別簡潔的調(diào)光功能需求，現(xiàn)代的3G、4G、云端運算世代的電子業(yè)卻手足無措。當紅的媒體寵兒——才智電網(wǎng)——比照明限制也完全無能為力。這難免讓人懷疑整個才智電網(wǎng)的概念，純粹是一場炒作的泡沫鬧劇而已。絕大部分的電子工程師都感到同樣困惑，為何談到照明調(diào)光，我們還是要依靠一個古老的元件——SCR硅控管？設(shè)計一個調(diào)光功能，真的有那么難嗎？其實困難點是在裝置成本和市場的不確定性。若能自硅控調(diào)光器的優(yōu)缺點以及其他調(diào)光方案裝置成原來分析，很多困惑將可以澄清。

本文針對現(xiàn)有的調(diào)光方案進行解析。并提出幾項大膽的預(yù)料：

(1)硅控調(diào)光器將和白熾燈一起走入歷史

(2)電子調(diào)光器和遙控調(diào)光器也沒有市場前景

(3)EZDimming是唯一通用可行的調(diào)光方案，也將成為無所不在的調(diào)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和調(diào)光節(jié)能的關(guān)系。照明設(shè)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)係是1Lux=1Lumen/m2

假設(shè)我們有一座10W的LED臺燈，發(fā)出來的總光通量是600Lumens。假如這600Lumens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——光明的食物，尤其是面包、漢堡、海鮮、燒烤等可以刺激食慾。所以面包蛋糕店、漢堡速食店、餐館的櫥窗要有1000Lux以上的照度。珠寶、鐘表、衣飾店，也必須要有光明的照度，以刺激購買欲。精密工業(yè)、彩色印刷、博物館、畫廊、眼鏡店、3C賣場、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)非工作場合——如車站、機場、醫(yī)院、大樓大廳、病房、走廊、樓梯間、廁所，則100-300Lux即可。公園、停車場、和街道則可以低到10-50Lux。

(4)非營業(yè)時段——商用照明、一般照明在非營業(yè)時段，可以降到100-300Lux。適度的照明，對商店的競爭力，肯定有顯著的影響。便利商店、百貨公司一樓的重點專柜，包括化妝品、珠寶，照度都超。照過2000Lux明不足，就不會吸引留意力和購買欲。若照明過度不足，還會增加人員的乏累感和睡意。2、調(diào)光節(jié)能

燈光是人為照明，在夜晚或自然光不足的場合供應(yīng)足夠的照度。但是燈光消耗電力，在不須要時關(guān)掉燈光是可以節(jié)約能源。不過在有些時段和狀況，假如可以把燈光調(diào)到較暗的程度(25~50%)，也是可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。

很多公用建筑或場所，如機場、車站、碼頭、停車場、街道醫(yī)院、病房、工廠，在夜晚不宜把燈光全部關(guān)掉，否則有行動不便利或治安的顧慮。、公園、百貨商場、學(xué)校、

辦公大樓的大廳、廁所、走廊、樓梯間等場所，在下班后維持適度的照明，也可以便利加班工作的員工，并避開治安的死角。

24小時營業(yè)的便利商店、加油站、旅館等，也可以在深夜生意較清淡時，把燈光調(diào)暗一部分，以節(jié)約電費。3、現(xiàn)有主要調(diào)光裝置

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)，和遙控調(diào)光器(紅外線或RF式)。

(1)電子式調(diào)光器

——可以添加很多先進功能。但是必需施工，更改燈具接線(一般墻壁開關(guān)只有接往一條溝通電線，無法供應(yīng)電源予電子線路)，裝置成本高。

(2)遙控調(diào)光器——可以添加很多先進功能。但有遙控器昂貴，簡潔遺失，公共場合不適用等問題。目前飛利浦和Sharp都有照明遙控調(diào)光器產(chǎn)品。價格相當昂貴，可調(diào)光的燈泡售價約是無調(diào)光燈泡兩倍。遙控器另計，通常要價在$30~$50。遙控調(diào)光器另一缺點就是簡潔遺失，尤其是在公共的場所如學(xué)校、辦公大樓等地方。

更糟的是，這兩者都有燈具須要搭配相同廠牌的調(diào)光器，所以沒有統(tǒng)一規(guī)格。也就是因為各廠牌相互無法相容，所以現(xiàn)有市場很小，將來也不太可能普及。

GE、Toshiba、Panasonic尚未推出遙控調(diào)光照明產(chǎn)品，信任不會采納競爭者的產(chǎn)品規(guī)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)硅控調(diào)光器——電子式調(diào)光器、遙控調(diào)光器裝置成本高，又無統(tǒng)一標準，所以古老的硅控調(diào)光器采納量稍多。雖然硅控調(diào)光具有很多缺點，但是因為不用變更接線，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，是很多LED照明廠目前選擇的調(diào)光方案。表2市面上可見的TriacDimmableLEDLightingDriverIC4、硅控調(diào)光器的缺點

但是硅控調(diào)光器會成為將來LED照明的主流調(diào)光方式嗎？答案是相當不樂觀的。首先來檢討硅控調(diào)光器的工作原理和其先天的缺點。

硅控調(diào)光器主要構(gòu)成元件包括：(1)硅控管--用來截取溝通電壓部分導(dǎo)通角度，以變更燈具的輸入功率(2)RtCttimer--Rt為可調(diào)電阻，用來變更硅控管導(dǎo)通角度(3)Diac--一種擊發(fā)硅控管的元件。留意：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(維繫電流)準位以下。硅控調(diào)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和省電燈泡(CFL)。

硅控調(diào)光器的主要缺點包括：

(1)功率因數(shù)會變差，導(dǎo)通角愈短，功因就愈差。調(diào)到1/4亮?xí)r，功因?qū)⒌陀?.25。

(2)效率會變差，因為在調(diào)暗時，負載不足，會造成硅控管提早關(guān)閉，導(dǎo)致RCtimer和導(dǎo)通角錯亂。更造成螢光燈或LED燈操作無法穩(wěn)定，而閃耀不定的問題。欲解決閃耀問題，通常要加裝洩流電阻(bleederordummyload)。如此一來，用bleeder來消耗功率以維持硅控管的正常操作，就違反了原先調(diào)光節(jié)能的立意。

(3)匹配問題，要開發(fā)一種和市面上數(shù)十廠牌硅控調(diào)光器，都保證相容的可調(diào)光LED燈具，是相當困難的。硅控調(diào)光器的匹配問題，請參閱NXPApplicationNoteAN10754。

(4)高裝置成本，雇請一個電氣工人來裝置硅控調(diào)光器至少須要$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；而幾乎全部的螢光燈都不能匹配硅控調(diào)光器。不管是在歐美，日本，或新興國家，硅控調(diào)光器事實上都不普及。據(jù)統(tǒng)計，全美國包括家庭、商店、工廠和辦公室，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(diào)光器者，不到1%。

照明大廠對硅控調(diào)光器前景不看好的幾個實例就是上述Philips、Sharp推出的遙控調(diào)光器。但是不管硅控調(diào)光器或是遙控調(diào)光器，整個照明產(chǎn)業(yè)，明顯沒有共識?；蛘呤钦f，當消費者不能接受昂貴的調(diào)光方案，而品牌廠商只有愛好生產(chǎn)高利潤的遙控調(diào)光器時，調(diào)光節(jié)能環(huán)保的美意就無疾而終了。所以就如前述，我們現(xiàn)在處于3G、4G世代的電子業(yè)對一個簡潔的調(diào)光功能卻手足無措，實在很諷刺。事實上，無法供應(yīng)調(diào)光功能，是照明業(yè)者許久以來的一個窘境。LED照明業(yè)者，必需堅決地突破這個僵局。更佳者，若能開創(chuàng)出一種接近零成本，不須要變更接線，不須要遙控調(diào)光器，又能維持高效率和高功因，又能馬上被普遍采納的調(diào)光方式，就能讓LED照明更可以和省電燈泡競爭。調(diào)光功能的突破，對整個LED照明產(chǎn)業(yè)，是一個特別重要的關(guān)鍵。5、四段調(diào)光

在照明這種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，最可行的標準，就是原來的標準。最簡潔的方案，就是不需變更現(xiàn)狀。

LED照明產(chǎn)業(yè)是一種漸進演化，不能變更現(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)，都很難再變更。到目前為止，比較勝利的LED照明的產(chǎn)品，都是造型和運用方式和傳統(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沿用傳統(tǒng)風(fēng)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寵愛。

我們可以推想，最可行的調(diào)光方式，就是不制定新標準，不變更現(xiàn)況，不須要變更接線，不增加任何調(diào)光器，就能達到調(diào)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wallswitch上動腦筋了。

四段調(diào)光——在臺灣大部分家庭的客廳，都裝有可切換燈泡數(shù)目的限制裝置。其原理是有一塊限制板，裝在客廳吊燈上方。當墻壁開關(guān)切換數(shù)次，限制板就透過幾個繼電器(relay)來變更點亮燈泡的數(shù)目。

但是四段調(diào)光器必需外接線路板，而且是變更點燈的數(shù)目。如何把四段調(diào)光做進單一燈泡之內(nèi)，的確須要創(chuàng)意。以往有運用MCU來偵測墻壁開關(guān)切換次數(shù)，并變更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、EZDimming

就是採取用四段調(diào)光的基本概念，但把調(diào)光功能內(nèi)建在一顆MSOP-10的LED驅(qū)動器之內(nèi)，沒有任何其他外接零件的須要。同時在各段調(diào)光準位時，都能維持高效率和高功因。因為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)動技術(shù),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(diào)光方案。

EZdimming偵測wallswitch切換次數(shù)，來變更調(diào)光準位。自全亮起先，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。切換柔軟，完全沒有突波電流或噪音的現(xiàn)象。線路精簡，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，EZDimming不只是賦有超越性的功能優(yōu)勢，而且不須要變更接線或任何硬體設(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，再裝上一顆配有EZDimming的LED燈泡或燈管，馬上可以將一個原先毫無調(diào)光功能的照明器具或系統(tǒng)，改成一個具有調(diào)光功能、節(jié)能環(huán)保的照明系統(tǒng)。圖1GM6182高功因、高效率、具有EZDimming功能的LED驅(qū)動器圖2

EZDimming四段調(diào)光的準位說明:左側(cè)A燈進行四段調(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3

EZDimming四段調(diào)光準位的功因

結(jié)論

照明消耗發(fā)電系統(tǒng)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(fā)光效率也很高，但是其含汞及運用大量玻璃，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，但是目前價格偏高。所以LED照明須要供應(yīng)一個省電燈泡