智慧照明实现理想亮度/色温旋钮调控搭配LED光源

周芷若
发布于 2015-11-03 #智能照明/Lifi直接看回复推送文章

高性价比发光二极管(LED)光引擎将成为21世纪主流照明光源，各国研究团队更进一步发展符合人类照明需求之智能照明系统，成本及使用方便性将是影响其大量普及的关键。

　　看好智慧照明发展前景，工研院近期揭橥一项精简化旋钮式调控照明系统的设计与验证成果;该系统系透过旋钮设定LED亮度与色温，而微处理器接收到设定值后，即会产生相应脉宽调变(PWM)数字控制讯号驱动LED，实现易用且低成本智慧光源。

　　本文介绍一精简化旋钮式调控照明系统，透过亮度旋钮及色温旋钮分别传送调光讯号至微处理器，控制双信道三端双向可控硅开关组件(TRIAC)调光模块，以驱动不同色温之积体化光引擎，提供亮度及色温分别调控输出，达成低成本及易使用的智能光源。

　　21世纪科技带动人类经济发展，促使人口增加至七十亿，过度消耗地球资源，导致全球气候大变迁，因此各国积极推动节能减碳。

　　LED易调变特点可望成为主流照明光源

　　根据美国能源部(DOE)发表灯具效率技术蓝图，预估2020年LED效率可到达225lm/W，灯具效率预估200lm/W，相较于传统60lm/W荧光灯泡及20lm/W卤素灯泡，LED将成为21世纪主流照明光源。

　　从科技面的角度来看，高效率蓝光LED发明者赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)、中村修二(Shuji Nakamura)等三人荣获2014年的诺贝尔物理奖，他们使蓝光LED激发黄色荧光粉形成白光，为传统照明提供节能的巨大贡献。从市场角度来看，根据工研院产业经济与趋势研究中心(IEK)统计，2013年全球LED照明市场规模约为272亿美元，预计到了2017年时，渗透率可以达到48%，全球LED照明市场可达到545亿美元，性价比的持续提升将加速LED光源的普及。由于高性价比的LED照明产品市场定位明确，各国研究团队更积极研发以LED为主的智能照明系统，发挥LED容易调变控制的优点，达到更符合人类照明需求。目前LED大型智能照明系统主要组成为照明设备、信息管理平台与感测装置，透过网络链接，随时依人体心理/生理或环境等需求，弹性化调整灯光亮度、颜色、开关状态等相关参数，营造舒适及节能之照明环境。

　　美国能源局曾发表过报告预测，至2030年LED光源将取代传统光源，并节省46%电力消耗，如再使用智能调控功能将可节省70%。此外根据MarketsandMarkets估算，2013?2018年智能照明市场规模平均年复合成长率为36%，到2018年整体市场规模为67.5亿美元。国际大厂争相推出各具特色的LED智慧灯泡测试市场，但现阶段看来还不实用且存在许多问题，例如使用方便性问题，且手机控制还须联网才能使用，以及智能控制功能需要网桥及通讯模块等，导致智能电控成本偏高;当系统越大的同时，建置成本也就越高。

　　精简化旋钮式调控照明系统特性探究

　　本研究尝试探讨在高性价比的光源架构下，使用人们惯用的旋钮式调光达到低成本与智能调光兼具的智能照明系统。本文以下内容将介绍及分析此精简化旋钮式调控照明系统之特性。

　　积体化光引擎

　　传统LED光引擎是由LED模块与驱动电源链接所组成，主流切换式LED驱动电源体积大且成本高，为提高LED光引擎性价比，高整合度系统级封装及电源IC化，两种关键技术被提出，可降低组件成本及制程成本，并提高光引擎可靠度。图1左为工研院(ITRI)开发低色温(2,500K)高演色性HV LED积体化光引擎实体图，使用台湾优势蓝光及红光HV LED芯片结合工研院自成型点胶制程，芯片直接封装于PCB上形成白光，并整合线性多段式开关LED电源IC及安规保护组件于单一电路板上，可采110V或220V输入、780lm、CRI 90，输入功率8-13W。

　　图1　积体化LED光引擎实体图;左图为ITRI开发低色温的积体化光引擎实体图;右图为S公司高色温积体化光引擎图。

　　图1右则为S公司高色温(5,000K)积体化光引擎，可110V或220V输入，880lm，CRI 80，输入功率最大13W，工研院HV LED积体化光引擎相较于S公司之积体化光引擎使用更少LED数目，且使用COB制程降低封装成本及热阻，积体化光引擎直接插入市电就可点亮，方便使用;无电解电容及磁性组件具有高可靠度，并能提高使用寿命及使用环境条件限制;透过导入高度整合封装技术，可降低材料成本及制程成本;而薄型化设计将可使灯具设计自由度提高。本研究使用暖白及冷白光源。

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　　本文所使用照明控制系统架构如图2所示，该架构透过旋钮设定亮度及色温输出，亮度旋钮设定0-100值做十一阶亮度变化，色温旋钮设定0-20值做二十一阶色温变化，形成一个矩阵设定表，转动旋钮时，微处理器(MCU)将读到旋钮之相对设定值，可固定色温下调整亮度比例0-100%，或固定相对最大光强度(0-100%)下调整色温。

　　图2　旋钮式亮度及色温调控系统架构图

　　微处理器内建冷白及暖白矩阵查找表(Look up Table)，此查找表内的设定值为光引擎关闭时间值，并经过线性校正计算，微处理器接收到旋钮之设定值后，例如(10，0)设定值代表相对最大光强度100%，且冷白光与暖白光强度比例为(100%:0%)，例如(10，10)设定值代表相对最大光强度100%，且冷白光与暖白光强度比例为(100%:100%)。

　　如(5，10)设定值代表相对最大光强度50%，且冷白光与暖白光强度比例为(100%:100%);例如(10，20)设定值代表相对最大光强度100%，且冷白光与暖白光强度比例为(0%:100%)，亮度输出查找表内相对应的设定值给双信道TRIAC调光模块，透过双信道TRIAC调光模块调整冷白及暖白的积体化光引擎关闭时间及相对应的亮度，可达到在不同的冷白及暖白积体化光引擎亮度比例下调整系统混光后的亮度与色温。

　　积体化光引擎亮度调控

　　本文积体化光引擎亮度调控使用脉冲宽度调变(PWM)-TRIAC方法，微处理器读取TRIAC调光模块内的零交越(Zero-Cross)侦测电路产生之零交越讯号，微处理器产生相对应PWM讯号控制TRIAC开关，控制流过积体化光引擎的电流，TRIAC开关调光方式可透过调整关闭时间产生相对应的发光亮度。

　　图3为光引擎TRIAC式调光电流波形图，上图左细线之peak为零交越讯号，光引擎输入电压为110V市电，频率为60Hz，电位为零之间间隔时间为8,300微秒(μs)，故示波器上零交越讯号之间隔时间为8.3毫秒(ms)，上图左粗线为ITRI积体化光引擎关闭时间为0的电流波形图，关闭时间为0表示相对最大光强度为100%，图3上图中粗线为光引擎关闭时间为50×83μs的电流波形图，上图右粗线为光引擎关闭时间为8,300μs的电流波形图，由图中显示电流为0，表示相对最大光强度为0%，下图左粗线为S公司积体化光引擎关闭时间分别为0/50/100(×83μs)的电流波形图，此数据显示本研究之TRIAC调光模块可以很有效透过PWM-TRIAC方法控制积体化光引擎亮度。

　　图3　光引擎TRIAC式调光电流波形图;上图为ITRI积体化光引擎的电流波形图，下图则为S公司积体化光引擎的电流波形图;图左至图右的关闭时间分别是0/50/100(x83μs)。

　　图4数据显示以PWM-TRIAC方法对ITRI及P公司积体化光引擎调光特性，当调整关闭时间为0-100(×83μs)时，其光通量对关闭时间并非为线性关系，如图4所示，不同的光引擎具有不同特性曲线关系式。

　　图4　关闭时间对光通量关系图

　　本文使用非线性公式1描述P公司积体化光引擎调光特性，xp为关闭时间，其单位为83μs，yp为光通量，其单位为流明(Lumen);本文使用非线性公式2描述ITRI积体化光引擎调光特性，xi为关闭时间，其单位为83μs，yi为光通量，其单位为流明，当特性曲线关系建立时便可对其执行调光线性化。

　　yp=-2.14*10^-6*xp^3+0.00136* xp^2-0.3776*xp+97.078 ........................................公式1

　　yi=-2.408*10^-6*xi^3+0.00113* xi^2-0.3509*xi+93.789 ........................................公式2

　　图5为ITRI及P公司积体化光引擎调光线性化结果，以每个光引擎最大亮度(关闭时间为0)时的亮度为100%，针对其相对最大光强度对光通量做图，其理想关系为线性关系，如图5 p-ideal curve及ITRI-ideal curve，该研究线根据非线性公式1及2校正之结果分别为p-calibrated curve及ITRI-calibrated curve。

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　　图5　相对最大光强度比例对光通量关系图

　　校正结果尚未是100%理想线性关系，但实际光通量已正比于最相对最大光强度，本文将以此校正与混光计算结果，以与实际量测结果比较。

　　执行混光计算前须考虑光引擎于不同调光强度下之色彩飘移值，飘移值过大将造成混光结果与计算结果有巨大差异，图6显示ITRI及P公司积体化光引擎调光光通量变化对色温关系图，P公司积体化光引擎亮度由470lm调整至接近0lm时，色温变化在5,098-4,996K之间，差异102K;ITRI积体化光引擎亮度由370lm调整至接近0lm时，色温变化在2,482-2,414K之间，差异68K，此光引擎调整光亮度时，色温变异值小。

　　图6　调光光通量变化对色温关系图

　　积体化光引擎色温调控

　　该系统调整亮度及色温时，微处理器须内建冷白及暖白矩阵查找表，图7为亮度及色温设定值对关闭时间之查找表，CCW(Calibrated Cool White)代表P公司光引擎之设定值，CWW(Calibrated Warm White)代表ITRI光引擎之设定值。最左栏0-10数字代表光引擎相对最大光强度，第11-1列代表相对最大光强度100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、0%，最上列0-20代表色温变化，第1-21栏代表冷白光与暖白光强度比例依序为(0%:100%)、(10%:100%)、(20%:100%)、(30%:100%)、(40%:100%)、(50%:100%)、(60%:100%)、(70%:100%)、(80%:100%)、(90%:100%)、(100%:100%)、(100%:90%)、(100%:80%)、(100%:70%)、(100%:60%)、(100%:50%)、(100%:40%)、(100%:30%)、(100%:20%)、(100%:10%)、(100%:0%)。

　　图7　亮度及色温设定值对关闭时间之寻找表

　　其关闭时间的设定值依图5之线性化校正结果及非线性公式计算而得，假设当亮度温旋钮输入设定值为5，色温旋钮输入设定值为5，其相对应为(5，5)矩阵查找表，CCW输出关闭时间为68(×83μs);CWW输出关闭时间为54(×83μs)。

　　图8显示色温对亮度之理想计算值及量测结果，理想计算值矩阵(10，0)之色温5,088K，亮度为470lm，理想计算值矩阵(10，20)之色温2,481K，亮度为370lm，理想计算值下假设光引擎调光时色偏为零，且调光时为完全线性，实验值显示当光引擎相对最大光强度100%时，色温调控与理想值有色偏，色偏范围最大小于500K，低色温(2,400-3,700K)时，色温计算值与实验值极相近，当(10，10)相对最大光强度100%时，混光后之流明值最大接近800lm，相对最大光强度由100%(10，10)调整至10%时(0，10)，亮度差异小但色温偏异值大，其原因可能为低亮度时线性化校正结果差异大及非线性方程式与量测值的误差。