新時代的LED照明調(diào)光設(shè)計

絕大部分的電子電機(jī)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，真的有那麼難嗎？

其實(shí)困難點(diǎn)是在裝置成本與市場的不確定性。若能自硅控調(diào)光器的優(yōu)缺點(diǎn)以及其他調(diào)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(diào)光方案進(jìn)行解析。并提出幾項大膽的預(yù)測：
(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)光器也沒有市場前景
(3) EZ Dimming 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(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)係。照明設(shè)計須考慮光源強(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 1 Lux = 1 Lumen/m2
假設(shè)我們有一座 10W的led檯燈，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，尤其是麵包、漢堡、海鮮、 燒烤等可以刺激食慾。所以麵包蛋糕店、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，以刺激購買慾。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(chǎn)線，則要有 300-800 Lux。
(3) 非工作場合 -- 如車站、機(jī)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(diǎn)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慾。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(jī)場的入境與出境大廳，照度嚴(yán)重不足。比起香港機(jī)場與成田機(jī)場的明亮程度，更讓人感覺桃園機(jī)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(zhǔn)

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提供足夠的照度。但是燈光消耗電力，在不需要時關(guān)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(diào)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(jī)場、車站、碼頭、停車場、街道、公園、百貨商場、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(diào)暗一部分，以節(jié)省電費(fèi)。

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 (Triac dimmer) (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，公共場合不適用等問題。目前飛利浦與Sharp都有照明遙控調(diào)光器產(chǎn)品。價格相當(dāng)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(diǎn)就是容易遺失，尤其是在公共的場所如學(xué)校、辦公大樓等地方。
更糟的是，這兩者都有燈具需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(diào)光照明產(chǎn)品，相信不會采用競爭者的產(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)，但是因為不用改變接線，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，是許多LED照明廠目前選擇的調(diào)光方案。

表二、 市面上可見的Triac Dimmable LED Lighting Driver IC

4.硅控調(diào)光器的缺點(diǎn)
但是硅控調(diào)光器會成為未來LED照明的主流調(diào)光方式嗎？答案是相當(dāng)不樂觀的。首先來檢討硅控調(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--用來截取交流電壓部分導(dǎo)通角度，以改變燈具的輸入功率 (2) RtCt timer--Rt為可調(diào)電阻，用來改變硅控管導(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-up current (維繫電流) 準(zhǔn)位以下。硅控調(diào)光器原來是為純電阻性負(fù)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(diào)光器的主要缺點(diǎn)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(fù)載不足，會造成硅控管提早關(guān)閉，導(dǎo)致 RC timer與導(dǎo)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(diào)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(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(diào)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(diào)光器。不管是在歐美，日本，或新興國家，硅控調(diào)光器事實(shí)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(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(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)光器或是遙控調(diào)光器，整個照明產(chǎn)業(yè)，顯然沒有共識?；蛘呤钦f，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)對一個簡單的調(diào)光功能卻束手無策，實(shí)在很諷刺。事實(shí)上，無法提供調(diào)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(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爭。調(diào)光功能的突破，對整個LED照明產(chǎn)業(yè)，是一個非常重要的關(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, G13 for T8, 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(fèi)者的喜愛。
我們可以推測，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，我們直覺想到可以利用的，就只有在最基本的wall switch 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，控制板就透過幾個繼電器 (rELay) 來改變點(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)，的確需要創(chuàng)意。以往有使用MCU來偵測墻壁開關(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.EZ Dimming
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需要。同時在各段調(diào)光準(zhǔn)位時，都能維持高效率與高功因。因為EZ Dimming結(jié)合了正弦降壓線路(sinusoidal buck)，或正弦正激線路 (sinusoidal forward) 的專利驅(qū)動技術(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。
EZ dimming偵測wall switch切換次數(shù)，來改變調(diào)光準(zhǔn)位。自全亮開始，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，EZ Dimming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(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EZ Dimming的LED燈泡或燈管，立即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)。

圖一 GM6182 高功因、高效率、具有EZ Dimming 功能的LED 驅(qū)動器

圖二 EZ Dimming 四段調(diào)光的準(zhǔn)位

說明: 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、 EZ Dimming 四段調(diào)光準(zhǔn)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)，但是目前價格偏高。所以LED照明需要提供一個省電燈泡所欠缺的調(diào)光功能，才能在這一波的白熾燈替代潮流中，很快爭取到主要的市佔(zhàn)率。

若能讓所有現(xiàn)有照明系統(tǒng)都改成高效率，而且具有調(diào)光功能的LED照明器具，對全世界環(huán)保節(jié)能將有很大貢獻(xiàn)。

現(xiàn)有的硅控調(diào)光器、電子市調(diào)光器、遙控調(diào)光器都有許多難以克服的缺點(diǎn)。EZ Dimming結(jié)合了正弦降壓線路，或正弦正激線路的專利驅(qū)動技術(shù)，所以能達(dá)到高功因、高效率、最低成本、立即可用的調(diào)光方案。EZ Dimming無疑是最佳的調(diào)光方式，也是協(xié)助LED照明完成第三次照明革命的重要發(fā)明之一。