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切相位调光原理

  • 调光开关

  • 切相位调光器

  • 切相位驱动器

  • 相位前切

  • 相位后切

何谓调光
照明,在不同的时间与情境应有不同的光景。
透过调整光的亮度,能营造出不同的气氛,引导人们的情绪。
柔和的灯光能使心情放松,明亮的灯光能提振精神。更能透过灯光亮度凸显想要展示的主题,又或是,光本身就是主角,提升空间的美感与层次。
时至今日,智慧照明及人因照明逐渐普及,照明不单为了点亮环境,更与情绪、健康,甚至居住安全息息相关。最简单的应用如办公室的灯光必须偏白,使人更有精神,而寒带地区的用户喜欢暖黄色的灯光,营造温暖的情境。
更进阶的应用像是根据研究资料,动态调整办公室的亮度及色温,使团队在各时段都处在最佳的工作状态,进而提高工作效率。
这一切应用,都必须仰赖精准且稳定的调光技术。

 

何谓切相位调光

亮度的调控方式可大致分为一次侧调光与二次侧调光。
指的是电子元件在灯具电源的一次侧高压端控制亮度或是在二次侧低压端控制亮度。
因为成本较便宜及不需要额外配线,一般家庭大多使用切相位系统控制灯光亮度。切相位调光系统原理为控制交流电的导通时间进而调光。也就是控制单位时间内,由市电可提供给灯具能量的时间去调控亮度,所以为一次侧调光。

图(1)为切相位调光器的实际配线与配线图,可以发现接线上不需要额外的零线及其它的控制线,只需要单火线即可工作。
图(2)为DALI系统的实际配线与配线图,相较于切相位系统,DALI系统需要多配两条的数据信号控制线,因此如果在最初装修时没有安装的话,增加配线的成本极高。

图(1)

图(2)


简而言之,就是控制电源导通的时间,进而控制单位时间内的平均功率,导通时间越短则进入灯具电源的总功率越少,灯光越暗。可将市电想像为河流,调光器想像为水闸,将整灯想像成是转动的水车,水车转动越快则灯光越亮。而水车的转速取决的闸阀的放水量,若将闸阀完全打开,这时的水车转速是最快的,代表的是切相位调光器将市电的能量至百分之百传送至灯具,灯具这时候为最亮的状态。若将调光器调整至百分之五十的状态,代表一个週期内有一半的时间水闸是关闭的,无水流进,则进入水车使其转动的总水量只有全週期都开起时的一半,也就是进入灯具的能量也只有百分之五十,灯光就呈现百分之五十的亮度。
图(3)为不接调光器时,进入灯具驱动器的电压波形。
图(4)为接上切相位调光器,并将亮度调至50%时的波形。可以发现週期内有一半的时间调光器将流入灯具的电源关掉,藉此使流入灯具的平均能量变少,降低亮度。

图(3)

图(4)


相位调光可分为前切相位与后切相位,如下图所示。图(5)为前切,即控制单位内的波形并未从零点开始,图(6)为后切,即控制单位内的波形从零点开始。

图(5)

图(6)

 

需注意的是,切相位控制器(如调光器)必须搭配可切相位调光的电源一同工作,否则无法调光。
且因为切相位控制器是直接串连在电源的前端(如下图所示),因而整个调光系统非常容易相互影响,加上切相位控制器与切相位调光驱动器的厂商众多,电路设计不同,调光兼容性显得格外重要。
假如调光器的调光兼容性较差,则接上灯具后可能产生灯光闪烁或调光效果低劣等问题,同理,若驱动器的调光兼容性较差,则搭配调光器时也会遇到相同问题。有些驱动器只适合使用前切控制器调控,需注意搭配的调光器类别。

图(7)


同个灯接上两个不同调光器后的电压波形大不相同,图(8)为影响较小,调光效果较好的波形图,图(9)为波形畸变较严重的状况,会造成光源闪烁。

图(8)

图(9)

图(10)


 

前切及后切调光的优缺点(又称前沿及后沿调光)
前切调光是利用双向可控硅(双向晶闸管TRIAC)元件控制相位导通的时间点,即控制单位内的波形并未从零点开始。优点为整体电路所需要的电子元件数较少,所以成本较低,且能控制电感型负载,如交流马达驱动的风扇。缺点为因为TRIAC的特性,电压从零突然上升后会产生突波,造成电感震盪,产生蜂鸣般的噪音,如图所示。且电磁干扰性(Electro-Magnetic Interference, EMI)较高,容易干扰其他设备工作,如收音机会有杂讯声,加上效率较差,容易发热,需注意多颗调光器同时工作的温度问
题。且因电路原理限制,在兼顾EMI的情况下最低工作功率较大,无法调控功率较小的灯具。

图(11)

图(12)

图(13)


后切调光则是使用金属(metal)-氧化物(oxide)-半导体(semiconductor)场效应晶体管
元件控制相位导通的时间点,即控制单位内的波形从零点开始。优点为调光时无噪音,电磁干扰性低,且最低工作功率较小,能调控较小瓦数的负载,如单颗LED灯具。


但因电路组成较複杂,成本较高,且若电路没有经过特殊设计,容易有较大的插入损失,造成灯具接上调光器后无法调整至最大亮度,如下图所示。并且不能与电感性负载搭配使用,否则会损坏电路。
图(14)为前切调光器的电路板,图(15)为后切调光器的电路板,可看出后切调光器所需的零件数较前切调光器多出许多。

 

图(14)

图(15)

 

图(16)为未接调光器时输入驱动器的电压波形,图(17)为接上调光器后且调整至最大亮度时的波形。虚线处即为插入损失,插入损失不会造成电能损耗,但会降低灯具的最高亮度,因而使调光范围缩窄。

 

 

 

 

图(16)

图(17)


如需更加了解前后切调光的优缺点,请参照表格(18)之比较。

表格(18)