LED照明調光設計方案

1、LED 照明調光設計方案本文針對現有的調光方案進行解析。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歷史(2) 電子調光器與遙控調光器也沒有市場前景 (3)EZDimming 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(jié)能的關鍵。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 。兩者之間的關系是 1Lux=1Lumen/m2假設我們有一座 10W 的 LED 燈 ,發(fā)出來的總光通量是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 ,以刺激購買。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

3、園、停車場、與街道則可以低到 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 ,絕對有顯著的影響。便利商店、百貨公司一樓的重點 專柜,包括化妝品、珠寶,照度都超過 2000Lux 。照明不足 ,就不會吸引注意力與購買。 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(qū),店家都是燈火通明。表一、各場所照明的基準luxl 3000100030010030102. 調光節(jié)

4、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(jié)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（2550%）,也是可以大幅降低能源消耗 （-50%-75%）。許多公用建筑或場所，如機場、車站、碼頭、停車場、街道、公園、百貨商場、學校、醫(yī)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，把燈光調暗 一部分，以節(jié)省電費。3. 現有主要調光

5、裝置常見的調光器包括硅控調光器（Triacdimmer）（前切式），電子式調光器（后切式），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(一般墻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

6、相同廠牌的調光器，所以沒有統(tǒng)一規(guī)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、 Pan aso nic尚未推出遙控調光照明產品，相信不會采用競爭者的產品規(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) 硅控調光器-電子式調光器、遙控調光器裝置成本高，又無統(tǒng)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，但是因為不用改變接線，裝置成本較低,各廠牌硅控調光器的性能和規(guī)格差別不大，是許多LED照明廠目前選擇的調光方案。表二、市面上可見的 TriacDimmableLE

7、DLight in gDriverICSSL21O1LM3445IW3610可支援調光器Triac dimmer Transistor dimmerTnac dimmer Trans FStor dimmerTriac di mmerTransistordimmerInput voltage buffer方式Passive RFCPassive PFCBoost fra nV endPower MOSFET內 it 600V,15W MOSFET外接兩潁 MOSFET外接兩羈 MOSFET驅動線路架構'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. 硅控調光器的缺點但是硅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 先來檢討硅控調光器的工作原理與其先天的缺點。硅控調光器主要構成元件包括：(1) 硅控管 -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)RtCttimer-Rt 為可調電阻 ,用來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-upcurrent( 維勞電流 )準位以下。硅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

9、 (CFL) 。硅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 ,功因將低于 0.25 。(2) 效率會變差 ,因為在調暗時 ,負載不足 ,會造成硅控管提早關閉 ,導致 RCtimer 與導 通角錯亂。更造成螢光燈或 LED 燈操作無法穩(wěn)定 ,而閃爍不定的問題。欲解決閃爍 問題 ,通常要加裝電阻 (bleederordummyload) 。如此一來 ,用 bleeder 來消耗功率以 維持硅控管的正常操作 ,就違背了原先調光節(jié)能的立意。(3) 匹配問題 ,要開發(fā)一種與市面上數十廠牌硅控調光器,都保證相容的可調光 LED燈具,是相當困難的。硅控調光

10、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硅控調光器。 不管是在歐美 ,日本 ,或新興國家 ,硅控調光器事實上 都不普及。據統(tǒng)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% 。照明大廠對硅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。但是不管硅控調光器或

11、是遙控調光器,整個照明產業(yè) ,顯然沒有共識?；蛘呤钦f ,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(jié)能環(huán)保的美意就無疾而終了。所以就如前述 ,我們現在處于 3G 、 4G 世代的電子業(yè)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(yè)者長久以來的一個窘境。 LED 照明業(yè)者 ,必須果斷地突破這個僵局。 更佳者 ,若能開創(chuàng)出一種接近零成本 ,不需要改變接線 ,不需要遙控調光器 ,又能維持高效率與高功因 ,又能立即被普遍采用的 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

12、業(yè) ,是一個非常重要的關鍵。5. 四段調光在照明這種傳統(tǒng)產業(yè) ,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(yè) 是 一 種 漸 進 演 變 , 不 能 改 變 現 有 照 明 系 統(tǒng) 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,G13forT8,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(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)風格。比起造型

13、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 wallswitch 上動腦筋了。四段調光 - 在臺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。當墻壁開關切換數次,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(chuàng)

14、意。以往有使用MCU 來偵測墻壁開關切換次數 ,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多 ,成本也不低。6. EZDimming把調光功能內建在一顆 MSOP-10 的 LED 驅動器之內 ,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 EZDimming 結合了正 弦降壓線路 (sinusoidalbuck), 或正弦正激線路 (sinusoidalforward) 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。EZdimming 偵測 wallswitch 切換次數 ,來改變調光準位。 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，EZDimmi ng 不只是賦有超越性的功能優(yōu)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(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，立即可以將一 個原先毫無調光功能的照明器具或系統(tǒng)，改成一個具有調光功能、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驅動器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、EZDimmi ng四段調光準位的功因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，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，但是目前價格