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切相位調光原理

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何謂調光

 

照明,在不同的時間與情境應有不同的樣貌。

透過調整光的亮度,能營造出不同的氣氛,引導人們的情緒。

柔和的燈光能使心情放鬆,明亮的燈光能提振精神。更能透過燈光亮度凸顯想要展示的主題,又或是,光本身就是主角,提升空間的美感與層次。
 

時至今日,智慧照明及人因照明逐漸普及,照明不單為了點亮環境,更與情緒、健康,甚至居住安全息息相關。最簡單的應用如辦公室的燈光必須偏白,使人更有精神,而寒帶地區的用戶喜歡暖黃色的燈光,營造溫暖的情境。

更進階的應用像是根據研究資料,動態調整辦公室的亮度及色溫,使團隊在各時段都處在最佳的工作狀態,進而提高工作效率。

這一切應用,都必須仰賴精準且穩定的調光技術。

 

 

 

何謂切相位調光

 

亮度的調控方式可大致分為一次側調光與二次側調光。

指的是電子元件在燈具電源的一次側高壓端控制亮度或是在二次側低壓端控制亮度。

因為成本較便宜及不需要額外配線,一般家庭大多使用切相位系統控制燈光亮度。切相位調光系統原理為控制交流電的導通時間進而調光。也就是控制單位時間內,由市電可提供給燈具能量的時間去調控亮度,所以為一次側調光。

 

圖(1)為切相位調光器的實際配線與配線圖,可以發現接線上不需要額外的水線及其它的控制線,只需要單火線即可工作。

圖(2)為DALI系統的實際配線與配線圖,相較於切相位系統,DALI系統需要多配兩條的控制線,因此如果在最初裝修時沒有安裝的話,配線的成本極高。

  圖 (1)

  圖 (2)

 

 

簡而言之,就是控制電源導通的時間,進而控制單位時間內的平均電能,導通時間越短則進入燈具電源的電能越少,燈光越暗。可將市電想像為河流,調光器想像為水閘,將整燈想像成是轉動的水車,水車轉動越快則燈光越亮。而水車的轉速取決的閘閥的放水量,若將閘閥完全打開,這時的水車轉速是最快的,代表的是切相位調光器將市電的能量至百分之百傳送至燈具,燈具這時候為最亮的狀態。若將調光器調整至百分之五十的狀態,代表一個週期內有一半的時間水閘是關閉的,無水流進,則進入水車使其轉動的總水量只有全週期都開起時的一半,也就是進入燈具的能量也只有百分之五十,燈光就呈現百分之五十的亮度。

 

如圖所示

圖(3)為不接調光器時,進入燈具驅動器的電壓波形。

圖(4)為接上切相位調光器,並將亮度調至50%時的波形。可以發現週期內有一半的時間調光器將流入燈具的電源關掉,藉此使流入燈具的平均能量變少,降低亮度。

 

  圖 (3)

  圖 (4)

 

 

 

相位調光可分為前切相位與後切相位,如下圖所示。圖(5)為前切,即控制單位內的波形並未從零點開始,圖(6)為後切,即控制單位內的波形從零點開始。

 

 

  圖 (5)

  圖 (6)

 

 

需注意的是,切相位控制器(如調光器)必須搭配可切相位調光的電源一同工作,否則無法調光。

且因為切相位控制器是直接串連在電源的前端(如下圖所示),因而整個調光系統非常容易相互影響,加上切相位控制器與切相位調光驅動器的廠商眾多,電路設計不同,調光兼容性顯得格外重要。

假如調光器的調光兼容性較差,則接上燈具後可能產生燈光閃爍或調光效果低劣等問題,同理,若驅動器的調光兼容性較差,則搭配調光器時也會遇到相同問題。有些驅動器只適合使用前切控制器調控,需注意搭配的調光器類別。

  圖 (7)

 

 

同個燈接上兩個不同調光器後的電壓波形大不相同,圖(8)為影響較小,調光效果較好的波形圖,圖(9)為波形畸變較嚴重的狀況,會造成光源閃爍。

 

  圖 (8)

 

 

  圖 (9)

 

 

  圖 (10)

 

 

 

 

前切及後切調光的優缺點(又稱前緣及後緣調光)

 

前切調光是利用雙向可控硅(雙向晶閘管TRIAC)元件控制相位導通的時間點,即控制單位內的波形並未從零點開始。優點為整體電路所需要的電子元件數較少,所以成本較低,且能控制電感型負載,如交流馬達驅動的風扇。缺點為因為TRIAC的特性,電壓從零突然上升後會產生突波,造成電感震盪,產生蜂鳴般的噪音,如圖所示。且電磁干擾性(Electro-Magnetic Interference, EMI)較高,容易干擾其他設備工作,如收音機會有雜訊聲,加上效率較差,容易發熱,需注意多顆調光器同時工作的溫度問

題。且因電路原理限制,在兼顧EMI的情況下最低工作功率較大,無法調控功率較小的燈具。

 

        圖 (11)

 

              

        圖 (12)

 

        圖 (13)

 

 

後切調光則是使用金氧半場效晶體管(MOSFET金氧半導體場效電晶體)

元件控制相位導通的時間點,即控制單位內的波形從零點開始。優點為調光時無噪音,電磁干擾性低,且最低工作功率較小,能調控較小瓦數的負載,如單顆LED燈具。

 

但因電路組成較複雜,成本較高,且若電路沒有經過特殊設計,容易有較大的插入損失,造成燈具接上調光器後無法調整至最大亮度,如下圖所示。並且不能與電感性負載搭配使用,否則會損壞電路。

圖(14)為前切調光器的電路板,圖(15)為後切調光器的電路板,可看出後切調光器所需的零件數較前切調光器多出許多。

 

             

        圖 (14)

 

 

        圖 (15)

 

 

圖(16)為未接調光器時輸入驅動器的電壓波形,圖(17)為接上調光器後且調整至最大亮度時的波形。虛線處即為插入損失,插入損失不會造成電能損耗,但會降低燈具的最高亮度,因而使調光範圍縮窄。

 

  圖 (16)

 

  圖 (17)

 

 

如需更加了解前後切調光的優區點,請參照表格(18)之比較。

  表 (18)