调光器实务

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• 正弦波調光器與 SCR 調光器之比較 ( 以10A 100V 燈泡,50%調光比較)
SCR 調光器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 控制方式 輸出波形 燈絲噪音 燈絲振動 脈衝電流 啟動電流 負載線電磁干擾 峰值電壓 諧波干擾 功率因數 能源效率 調光精確度 相位控制切換方式 截斷式波形輸出 可聽覺的高頻振動雜音 高頻振動雜音 大 ( 140V /350uSec) 80A 大 140V AC 大 50% 50% ( - 2% 內部消耗 ) 非正弦波難以對應 正弦波調光器 脈波寬度調變 純正弦波 低頻不可聽覺 60Hz 低頻不可聽覺 60Hz 低( Zero Start ) 24A 低 70 VAC 低 99.5% 100% ( - 3% 內部消耗 ) 完全線性輸出電壓對應 50%調光 50%調光 50%調光 50%調光 50%調光 50%調光 50%調光 冷燈啟動時 附 註
調光器歷史
• 煤氣燈 • 電燈 ( 鎢絲燈): 1. 電阻式調光 2. 自藕變壓器調光 3. SCR 調光 4. TRIAC 調光 5. MOSFET 調光 6. IGBT調光 7. Sine Wave 調光
• LED 調光
調光器的功能
• • • • • •

調光器可以改變燈泡的亮度,如果沒有調光器,不同亮度需求時 必須使用不同的燈泡。 一般鎢絲燈泡可以調光 0-100% ,改變不同亮度得到不同的氣氛。 實做測試 可調光型日光燈必須使用調光安定器,可以調光 10 --- 100%。 實做測試 新型 LED 應該必須具備調光功能,LED 使用PWM控制方式,調光 可以做到 0 – 100%。 實做測試

因此我們提出使用正弦波調光,讓調光輸出改變的是交流電的幅度而不是相 位控制,當調光50%時,負載燈泡去用的電力是從頭到尾都取用50%。從右方 這張圖可以清楚的比較正弦波50%調光與SCR 50%調光的差異。
-150
SCR/TRIAC 調光
• • 相位控制 調光的方式使用SCR作為開關可以說是近數十 年來最佳的方式,簡單可靠,使用SCR控制電 流的導通時間,導通時間越多燈就越亮,由 於我們使用的電力來源都是交流電,是 0 -360 變化幅度的正弦波,一般使用相位控制, 控制導通的角度,例如說在90度及270度導通 時,輸出一半的功率,上圖紅色為導通部分。 SCR只能單向導通,因此必須使用兩個背對背 安裝的 SCR 或 TRIAC 使正負半週都能導通, 達到控制交流電的目的。

TRIAC 雙向三極閘流體
TRIAC的相位控制與SCR相似,但因 TRIAC能雙向導通之故,在正負半週均能 觸發、可作為全波功率控制之用,因此 TRIAC除具有SCR的優點,更方便於交流 功率控制,改變它的激發角。 一般TRIAC所能控制的負載比SCR小,大 體上而言約在600V,40A以下。
Power MOS-FET

SCR 矽控整流器
• 矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier)簡稱SCR,是一種三端點的閘流體 (thyristor)元件,用以控制流到負載的電流。SCR的電路符號如圖所示。其中A 極是陽極(anode)、K是陰極(cathode)、G是閘極(gate)。 閘極的電壓 必須比陰極高,才會形成P-N順向導通,這時若A極的電壓大於陰極,就會 如同二極體一般的導通。 一旦進入導通狀態,除非SCR電流小於 Ih,否則 SCR 會持續的導通。 SCR的缺點是無法用於高頻工作,但相對於其他調光器,效率最高,承受瞬間 電流的能力也最強。
後緣調光 (Trailing edge dimming )必須使用 MOSFET 或 IGBT 來控制,這種調光器由於從 0 點啟動,因此 可以降低瞬間電流,延長燈泡的壽命。 適用於 : 1. 電阻性負載 2. 電容性負載 3. 不可用於電感性負載
調光驅動信號
單一脈波
單一脈衝信號推動的設計很簡單也很省電,適用於電阻性負載,如果用於電 感性負載由於燈具上的變壓器產生反電動勢的問題因此無法正確推動,有可 能破壞燈具或造成調光器損壞。
現在使用的 SCR 相位控制調光器,調光時能源效率很低,產生高頻干擾,產 生熱,造成無謂的環境破壞,SCR 相位控制調光方式產生衝擊電流,使燈泡 鎢絲振動產生噪音,降低燈泡壽命,諧波失真干擾音響及電腦系統, SineWave正弦波調光器輸出純正的正弦波,將可以徹底解決這些問題。

SineWave 與 SCR 調光器之比較
節能減碳
• 在電視攝影棚,劇院,等有觀眾參與的演出場所,必須重視燈光的演色性, 因此鎢絲燈泡仍然難以被取代,以往控制鎢絲燈的亮度多採用SCR做相位控制 以達到調光的目的,這至今已超過50年,以往被認為SCR調光可以省電,如果 調光50% 可以省電50%,因為只取用了其中 50% 時間的100% 電力,這是站在 使用端的角度。
Console 調光控台
專屬定做控制面板 Console
NHK 新聞中心
北藝大實驗劇場控制畫面之一
北藝大實驗劇場燈光監控
簡易數位調光控台
交流電基本波形
150 100
50
0 -50
-100 -150
單向三線式
150
100
50
0
-50Hale Waihona Puke Baidu
-100
-150
三相
150
100
50
0
-50
-100
連續驅動信號
在電感負載使用時,SCR的驅動信號必須夠長到可以消除反電動勢的 干擾,一般使用連續驅動信號。
連續驅動信號
MOSFET / IGBT 後緣調光
SCR 調光的閃爍現象
如果同步信號不穩定或驅動信號產生誤差將是正半周的驅動信號延遲到負 半周將使負半周也被推動,產生閃爍現象。經常是低 LEVEL 啟動時就會全 亮閃爍,這也使得正負半週不平衡。
1. 2. 3. 4. 5.
Gnd DMX DMX EDX EDX
Shield
DD+ DD+
1
2 3 4
Twist Pair
5
Twist Pair
DMX 波形解析
DMX 格式規範
示波器量測 DMX 輸出波形
經常並不是所有的Console發出的DMX信號都一樣,有時 是會有一些差異的,這可能造成接收端接收錯誤造成閃 爍,因此為了確實必須檢測輸出的DMX信號格式是否在 規格範圍以內。

正弦波調光器
新世代的調光器
• •
新世代調光器 SineWave Dimmers 正弦波調光器 地球暖化不再等待,環境保護刻不容緩,節能減碳你我都有責任,舞台燈光 由於演色性及光束控制關係尚無法全面使用節能燈具,因此我們在調光器的 方面做大幅的改善,將功率因數提升到 99.%以上,使得鎢絲燈泡也能夠在節 能上做出貢獻。
當今泛用的調光器
• • • • 絕大多數的調光器都是SCR / TRIAC SCR / TRIAC 有很好的瞬間電流承受能力。 SCR / TRIAC 調光器使用相位控制方式。 相位控制切割電源信號控制流經燈泡的電流,可以調光但造成諧波失 真及干擾。
調光器形式
• • • • • 單機型 可攜帶型 活動機櫃型 壁掛型 機櫃型
三相電力使用時
在33%或66%時閃爍
調光時低壓鹵素燈變壓器燒毀
• • • 12V 低壓鹵素燈必須使用變壓器降壓以便接到AC 120 / 220V 電壓使用, 因此視為電感性負載。 如果負載是變壓器如果調光後正負半週不平衡會導致變壓器燒毀,也 會破壞調光器。 電感性負載也會造成延遲,產生閃爍現象。

SCR 調光器電路圖
SCR/TRIAC 調光控制電路圖
SCR/TRIAC 調光器電路圖
交流同步信號
調光驅動信號的產生是以同步信號為參考基準,控制 導通的時間,也就可以控制亮度。
調光控制的穩定與否同步信號是極為重要的,穩定的 同步信號可以讓輸出電壓穩定,飄移的同步信號可能 造成調光閃爍。
前緣調光與後緣調光
電子式變壓器
• 低壓鹵素燈使用電子式變壓器,調光時,必須考慮推動的問題,有些 變壓器指定用於前緣調光,有些必須用於後緣調光。
諧波干擾
上升時間
• SCR 調光使用相位控制,在電流導通點會產生瞬間的大電流,這會造 成嚴重干擾,也使燈泡的壽命降低,因此一般使用電感線圈抑制此突 入的大電流,延長延緩其導通的時間,可以減低瞬間的突波電流。 一般調光器的上升時間約在 200 --- 500uSec 之間。
IGBT
• IGBT是1980年代中期所發展起來的一種 新型的複合元件,它綜合了金氧半場 效電晶體(MOSFET)與功率電晶體(GTR) 的優點,故具有較佳的特性,與更廣 泛的應用範圍。 IGBT是一種場控元件,它的導通和關斷 由閘極與射極間的電壓VGE來決定。 當VGE為正且大於開啟電壓VGE(th)時, 場效電晶體內形成通道並為PNP電晶體 提供基極電流,進而使IGBT導通。 當閘射極間不加信號或加反向電壓時, 場效電晶體內通道消失,PNP電晶體的 基極電流被切斷,IGBT即關斷。 IGBT的驅動原理與場效電晶體基本上相 同。
手提式
可搬運型
吊掛型
19” 2U
Rack Mount Dimming
19” 3U
Rack Mount Dimming
19” 4U
Rack Mount Dimming
抽取式模組
機櫃
如何決定調光器
• • • • • • • • 迴路數 輸入電壓,相數 (3P4W, 1P3W, 3P3W ) 輸出電流或功率。 安裝方式:機櫃,飛行箱,手提,吊架,壁掛 …..。 控制信號: Analog ,DMX , Ethernet …..。 維護保固 預算 維護預算
Leading edge & Trailing edge dimming
前緣調光( Leading edge dimming )一般使用SCR 或 TRIAC 做為調光的器件,這種調光方式可以獲得高效 率,體積小價格便宜,已經被使用了50年。 適合用於 : 1. 電阻性負載 2. 電感性負載 (必須適當處理驅動信號) 3. 一般不適用於電容性負載
調光器實務
徐錕柏 詠真實業股份有限公司
徐錕柏
•詠真實業股份有限公司(Lite-Puter)董事長。
•台笙貿易公司TEAC 音響工程師,工程部主任,1968--1978。 •詠真公司負責人,主導調光器及燈光控制系統設計33年(1978–至今)。 •實績:調光器及燈光控制系統 •晶華酒店,喜來登大飯店,國賓大飯店,君悅大飯店,漢來大飯店,長榮桂冠 酒店,W-Hotel。 •墾丁海洋生物博物館,花蓮海洋生物博物館。 •日本富士電視攝影棚--調光器。 •日本NHK電視攝影棚--正弦波調光器。 •日本東京銀座Le Theatre (劇院) 全數位燈光控制系統規劃設計。 •日本東京SOGETSU HALL 劇場燈光控制系統。 •日本東京NHK New Center 燈光控制系統。
今天我們必須站在整體國家社會及地球環境保護的角度,當供應是100% 的電 力,只取用 50% 時剩下沒有取用的 50% 並不會被節省下來,而是浪費掉了, 就像是丟在門外的垃圾。基於能量不滅,這些浪費掉的電力就造成汙染,造 成燈絲振動雜音,諧波失真,產生高頻雜訊,干擾通訊系統,電線發熱。

SineWave調光與SCR調光波形
DMX 接線
DMX 數位信號的問題
• 在以前,調光器經常會使用 ANALOG 方式, DMX信號必須經由解碼轉 換為0-10VDC 的信號 ,這種方式的速度慢,但會比較穩定,即使DMX 信號有短暫雜訊也不會反應出來。 新近的調光器多已全數位設計,對DMX信號的處理更迅速,如果DMX 有雜訊將難以濾除,因此CONSOLE的設計必須考慮,例如LED燈具的 反應速度相當快速,若有雜訊會立刻顯示。

調光器的控制方式
• • 類比控制方式 數位控制方式
DMX 通訊
DMX 是由USITT制定的通訊協定,基本架構是RS-422的格式,USITT在 1990年制定了共同的標準,在此之前,雖然絕大多數產品以RS-422 方式通訊但無法互通共用。 DMX 通訊仍然定義寬鬆彈性很大,因此如果沒有正確了解並處理,仍 然會收到錯誤訊號,造成閃爍干擾。 DMX 採用RS-422通訊方式,平衡式輸出輸入信號有 D+ , D- ,這樣可以 使干擾互相抵消,提高信號的可靠度,延長通訊的距離。 信號線必須使用對絞線必須有隔離網,最重要的是隔離網必須接地 (不 是大地),沒有接地的隔離網會造成更嚴重的干擾。
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