現(xiàn)階段LED照明調光方案解析

面對一個看似非常簡單的調光功能需求，現(xiàn)代的3G、4G、云端運算世代的電子業(yè)卻束手無策。當紅的媒體寵兒——智慧電網——對照明控制也完全無能為力。這難免讓人懷疑整個智慧電網的概念，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，為何談到照明調光，我們還是要依靠一個古老的元件——SCR硅控管？設計一個調光功能，真的有那么難嗎？

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

　　本文針對現(xiàn)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) EZ Dimming 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)能的關系。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。兩者之間的關係是1 Lux = 1 Lumen/m2

　　假設我們有一座10W的LED臺燈，發(fā)出來的總光通量是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1000 Lux 以上的照度。珠寶、鐘表、衣飾店，也必須要有明亮的照度，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、生產線，則要有 300-800 Lux。

　　(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100-300 Lux即可。公園、停車場、與街道則可以低到10-50 Lux。

　　(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100-300 Lux。

　　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。照過2000Lux明不足，就不會吸引注意力與購買欲。若照明過度不足，還會增加人員的疲憊感與睡意。

表１ 各場所照明的基準

　　2、調光節(jié)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 (25~50%)，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。、公園、百貨商場、學校、

　　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(xiàn)有主要調光裝置

　　常見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(xiàn)有市場很小，未來也不太可能普及。

　　GE、Toshiba、Panasonic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2 市面上可見的Triac Dimmable LED Lighting Driver IC

　　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) RtCt timer--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-up current (維繫電流) 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 (CFL) 。
硅控調光器的主要缺點包括：

　　(1) 功率因數(shù)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 RC timer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，通常要加裝洩流電阻 (bleeder or dummy load)。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(shù)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。硅控調光器的匹配問題，請參閱NXP Application Note AN10754。

　　(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(jù)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(xiàn)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