【LED配件資源】新世代的LED照明調光設計

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摘要

面對一個看似非常簡單的調光功能需求，現代的3G、4G、雲端運算世代的電子業卻束手無策。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。

絕大部分的電子電機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，真的有那麼難嗎？

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。

本文針對現有的調光方案進行解析。並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能的關係。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檯燈，發出來的總光通量是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、彩色印刷、博物館、畫廊、眼鏡店、3C賣場、書店、打字、製圖、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) 非營業時段 -- 商用照明、一般照明在非營業時段，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櫃，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，店家都是燈火通明。

表一、 各場所照明的基準

2. 調光節能

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%)。

許多公用建築或場所，如機場、車站、碼頭、停車場、街道、公園、百貨商場、學校、醫院、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，在下班後維持適度的照明，也可以方便加班工作的員工，並避免治安的死角。

24小時營業的便利商店、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，以節省電費。

3.現有主要調光裝置

常見的調光器包括硅控調光器 (Triac dimmer) (前切式) ，電子式調光器 (後切式)，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 (一般牆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，所以沒有統一規格。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、Panasonic尚未推出遙控調光照明產品，相信不會採用競爭者的產品規格。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，又無統一標準，所以古老的硅控調光器採用量稍多。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--一種擊發硅控管的元件。注意：硅控管在擊發之後就維持導通狀態，直到流通的電流降到 hold-up current (維繫電流) 准位以下。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) 功率因數會變差，導通角愈短，功因就愈差。調到1/4亮時，功因將低於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能的立意。

(3) 匹配問題，要開發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。據統計，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，顯然沒有共識。或者是說，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，調光節能環保的美意就無疾而終了。

所以就如前述，我們現在處於3G、4G世代的電子業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，是照明業者長久以來的一個窘境。LED照明業者，必須果斷地突破這個僵局。更佳者，若能開創出一種接近零成本，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，又能立即被普遍採用的調光方式，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照明產業，是一個非常重要的關鍵。

5.四段調光

在照明這種傳統產業，「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 照明產業是一種漸進演變，不能改變現有照明系統的基礎建設 (infra-structure)。不管是燈具造型 (PAR38, PAR30, A19, MR16, T8, T12)，燈具接頭 (E27, E26, E17, G13 for T8, T12)，都很難再改變。到目前為止，比較成功的LED照明的產品，都是造型和使用方式與傳統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風格。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wall switch 上動腦筋了。

四段調光 -- 在台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。當牆壁開關切換數次，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，的確需要創意。以往有使用MCU來偵測牆壁開關切換次數，並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.EZ Dimming

就是採取用四段調光的基本概念，但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。同時在各段調光准位時，都能維持高效率與高功因。因為EZ Dimming結合了正弦降壓線路(sinusoidal buck)，或正弦正激線路 (sinusoidal forward) 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。

EZ dimming偵測wall switch切換次數，來改變調光准位。自全亮開始，循序降到六分亮，四分亮，二分亮。並且在任何調光階段，都維持高於0.90的功因、高於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，EZ Dimming不只是賦有超越性的功能優勢，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光功能的照明器具或系統，改成一個具有調光功能、節能環保的照明系統。

圖一 GM6182 高功因、高效率、具有EZ Dimming 功能的LED 驅動器

圖二 EZ Dimming 四段調光的准位

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、 EZ Dimming 四段調光准位的功因

結論

照明消耗發電系統的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，發光效率也很高，但是其含汞及使用大量玻璃，很不符合環保宗旨。LED照明具有比省電燈泡更環保、不放射紫外線等優點，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率。

若能讓所有現有照明系統都改成高效率，而且具有調光功能的LED照明器具，對全世界環保節能將有很大貢獻。

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

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