LED照明调光设计方案
本文针对现有的调光方案进行解析。并提出几项大胆的预测：
(1) 硅控调光器将和白炽灯一起走入历史
(2) 电子调光器与遥控调光器也没有市场前景
(3) EZ Dimming 是唯一通用可行的调光方案,也将成为无所不在的调光方式。
1.照明需求基准
首先让我们先了解照明需求的基准与调光节能的关?S。照明设计须考虑光源强度,和被照物或被照平面所得到的光通量。光源强度的计量单位是流明 (Lumen)。照度的计量单位是 Lux。两者之间的关系是 1 Lux = 1 Lumen/m2
假设我们有一座 10W的LED灯,发出来的总光通量是600 Lumens。如果这600 Lumens全部集中在
(1) 商用照明 -- 明亮的食物,尤其是面包、汉堡、海鲜、 烧烤等可以刺激食物。所以面包蛋糕店、汉堡速食店、餐馆的橱窗要有 1000 Lux 以上的照度。珠宝、手表、衣饰店,也必须要有明亮的照度,以刺激购买。精密工业、彩色印刷、博物馆、画廊、眼镜店、
(2) 一般照明 -- 办公室、教室、量贩店、一般店面、咖啡店、快餐馆、工厂、生产线,则要有 300-800 Lux。
(3) 非工作场合 -- 如车站、机场、医院、大楼大厅、病房、走廊、楼梯间、厕所,则100-300 Lux即可。公园、停车场、与街道则可以低到 10-50 Lux。
(4) 非营业时段 -- 商用照明、一般照明在非营业时段,可以降到100-300 Lux。
适度的照明,对商店的竞争力,绝对有显着的影响。便利商店、百货公司一楼的重点专柜,包括化妆品、珠宝,照度都超过2000Lux。照明不足,就不会吸引注意力与购买。若照明过度不足,还会增加人员的疲惫感与睡意。一个明显的例子就是桃园机场的入境与出境大厅,照度严重不足。比起香港机场与成田机场的明亮程度,更让人感觉桃园机场的老旧、冷清。只有免税商店区,店家都是灯火通明。
表一、 各场所照明的基准
2. 调光节能
灯光是人为照明,在夜晚或自然光不足的场合提供足够的照度。但是灯光消耗电力,在不需要时关掉灯光是可以节约能源。不过在有些时段和情况,如果可以把灯光调到较暗的程度 (25~50%),也是可以大幅降低能源消耗(-50%~-75%)。
许多公用建筑或场所,如机场、车站、码头、停车场、街道、公园、百货商场、学校、医院、病房、工厂,在夜晚不宜把灯光全部关掉,否则有行动不方便或治安的顾虑。
办公大楼的大厅、厕所、走廊、楼梯间等场所,在下班后维持适度的照明,也可以方便加班工作的员工,并避免治安的死角。
24小时营业的便利商店、加油站、旅馆等,也可以在深夜生意较清淡时,把灯光调暗一部分,以节省电费。
3.现有主要调光装置
常见的调光器包括硅控调光器 (Triac dimmer) (前切式) ,电子式调光器 (后切式),与遥控调光器 (红外线或RF式)。
(1) 电子式调光器 -- 可以添加许多先进功能。但是必须施工,更改灯具接线 (一般墙壁开关只有接往一条交流电线,无法提供电源予电子线路),装置成本高。
(2) 遥控调光器 -- 可以添加许多先进功能。但有遥控器昂贵,容易遗失,公共场合不适用等问题。目前飞利浦与Sharp都有照明遥控调光器产品。价格相当昂贵,可调光的灯泡售价约是无调光灯泡两倍。遥控器另计,通常要价在$30 ~$50。遥控调光器另一缺点就是容易遗失,尤其是在公共的场所如学校、办公大楼等地方。
更糟的是,这两者都有灯具需要搭配相同厂牌的调光器,所以没有统一规格。也就是因为各厂牌互相无法相容,所以现有市场很小,未来也不太可能普及。
GE、Toshiba、Panasonic尚未推出遥控调光照明产品,相信不会采用竞争者的产品规格。诸大厂各行其是,就像手机的充电器一样,Nokia、Samsung、LG、Motorola 都互不相容。
(3) 硅控调光器 -- 电子式调光器、遥控调光器装置成本高,又无统一标准,所以古老的硅控调光器采用量稍多。虽然硅控调光具有许多缺点,但是因为不用改变接线,装置成本较低,各厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大,是许多LED照明厂目前选择的调光方案。
表二、 市面上可见的Triac Dimmable LED LighTIng Driver IC
4.硅控调光器的缺点
但是硅控调光器会成为未来LED照明的主流调光方式吗?答案是相当不乐观的。首先来检讨硅控调光器的工作原理与其先天的缺点。
硅控调光器主要构成元件包括： (1)硅控管--用来截取交流电压部分导通角度,以改变灯具的输入功率 (2) RtCt TImer--Rt为可调电阻,用来改变硅控管导通角度 (3) Diac--一种击发硅控管的元件。注意：硅控管在击发之后就维持导通状态,直到流通的电流降到 hold-up current (维劳电流) 准位以下。硅控调光器原来是为纯电阻性负载的白炽灯专用的,通常是无法匹配萤光灯与省电灯泡 (CFL) 。
硅控调光器的主要缺点包括：
(1) 功率因数会变差,导通角愈短,功因就愈差。调到1/4亮时,功因将低于0.25。
(2) 效率会变差,因为在调暗时,负载不足,会造成硅控管提早关闭,导致 RC timer与导通角错乱。更造成萤光灯或LED 灯操作无法稳定,而闪烁不定的问题。欲解决闪烁问题,通常要加装??流电阻 (bleeder or dummy load)。如此一来,用bleeder来消耗功率以维持硅控管的正常操作,就违背了原先调光节能的立意。
(3) 匹配问题,要开发一种与市面上数十厂牌硅控调光器,都保证相容的可调光LED灯具,是相当困难的。硅控调光器的匹配问题,请参阅NXP Application Note AN10754。
(4) 高装置成本,雇请一个电气工人来装置硅控调光器至少需要 $30至 $50。
(5) 有限的既有市场,目前大部分办公室及商店照明都以萤光灯为主;而几乎所有的萤光灯都不能匹配硅控调光器。不管是在欧美,日本,或新兴国家,硅控调光器事实上都不普及。据统计,全美国包括家庭、商店、工厂与办公室,全部加起来约有七十亿灯管和灯泡。平均每个人备有28颗灯泡。但是装有调光器者,不到 1%。