解析現(xiàn)有的LED調(diào)光方案
面對一個看似非常簡單的調(diào)光功能需求,現(xiàn)代的3G、4G、云端運(yùn)算世代的電子業(yè)卻束手無策。當(dāng)紅的媒體寵兒--智慧電網(wǎng)--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(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(jì)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(xiàng)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(jì)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(jì)量單位是流明 (Lumen)。照度的計(jì)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(jì),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?yàn)楦鲝S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?yàn)椴挥酶淖兘泳€,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?yàn)樵谡{(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(jì),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
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