這個也要變頻啦

認識我的人都知道我對於可以變頻的東西都有莫名的狂熱: 變頻空調, 變頻洗衣機, 變頻冰箱… 還有什麼東西可以變呢 ?

有個東西我找了很久, 一直買不到: 可以調光的日光燈安定器. 我第一次知道日光燈可以調光是某一次坐飛機的時候, 發現新的 747-400 座艙裡的日光燈亮度可以連續變化, 那次回國後我就開始找關於日光燈調光的資料, 也買了好幾本安定器設計的書來研究.

慢慢我知道, 日光燈要調光其實不是那麼困難的事, 尤其是對高頻燈管而言. 我們一般通稱的日光燈, 其實是一個叫作 "熱陰極氣體放電再激發燈" 的大家族. 熱陰極就是說它的陰極是需要加熱才會有電子飛出來, 再激發就是說它管內的氣體被激發出來的是不可見光, 以日光燈來說就是紫外線. 然後紫外線打到管壁上的螢光粉後, 螢光粉被激發再發出可見光.

這種放電燈管有個很有趣的特性: 一般來講, 燈管點亮時所需要的管電流只與它裡面的氣體壓力和燈管截面積有關, 而和管長無關. 而所有的氣體放電燈都有一個很重要的特性: 負電阻. 它的電阻會隨著電壓的升高而下降. 因為這種負電阻的特性, 安定器主要的功用其實像是一個恆流源, 不管燈管的溫度高低, 電阻高低, 安定器就負責提供一個穩定的電流流過燈管.

以現在的電子式安定器的設計來說, 其實裡面多半是一個以 DC 為電源, 頻率在數十 KHz 的震盪器, 用 push-pull 的方式去推動一個 inverter, 而這個 inverter 的輸出其實就是一個高頻高壓的交流, 串接一個電感後用來驅動燈管. 電感在交流上會有電抗的效應, 因此會限制流過燈管的電流.

一個好的 inverter 設計應該要近似恆流源: 在燈管冷, 管電阻較大的時候, 提供比較高的電壓; 當燈管熱了, 管電阻降低時, 要降低輸出的電壓, 維持管電流的恆定. 但是大部份省電燈泡裡那種極端便宜的 inverter 設計都沒有這樣做, 因此在冬天天氣冷的時候我們常常會發現省電燈泡剛開的時候亮度很低, 這就是因為管子還很冷的時候管電阻較大, 而 inverter 又沒有用電壓去補償這個現像所造成的結果.

好啦, 所以日光燈也不是不能調亮度的嘛, 只要改變流過燈管的電流大小, 一樣可以改變燈管的亮度. 但是要怎麼改變電流大小呢 ?

最簡單的方法就是變頻. 只要改變 inverter 工作的頻率, 在串聯的限流電感上就會造成不同的電抗, 同時又不會損失能量 (記得嗎 ? X_L = ωL = 2πfL, 頻率越高, 感抗越大, 這就是交流電路的美妙之處. 如果是直流電路, 要不損失能量的話, 沒有 PWM 是做不到的啊…) 所以囉, 可以調光的安定器並不難做才對.

***

不難做歸不難做, 在台灣可難買得很. 我從四五年前就一直在各大燈具行找可以調光的日光燈安定器, 百分之九十的店家都告訴我日光燈不可能可以調光的, 更不專業一點的還想賣我那種鹵素燈用的 SCR 調光器叫我串在安定器上. 那陣子在飛利浦工作的時候, 也跟 lighting 部門的同事問過, 我知道 Philips Lighting 跟 OSRAM 都有做 T8 跟 T5 的 dimmable ballast, 但得到的答案是沒有進口.

沒想到前一陣子在 Yahoo 拍賣上逛街時, 給我看到有人在賣 OSRAM 的 Quicktronic Intelligent 系列安定器, 而且是可調光的. 二話不說, 先買一隻來玩.

我買了一隻 QTi 系列, 2X28/54 的 T5 可調光安定器. 除了可調光, 歐司朗更厲害的是這個安定器會自動判斷裝上去的燈管是 T5 HE 28W 還是 T5 HO 54W 的, 然後用不同的參數去點燈. 用過 T5 燈管的人都知道, T5 同樣的長度有兩種不同的瓦數: HE 是 high efficiency, 瓦數比較小, 效率比較高, 單位長度的光通量比較低, 但是單位功率的光通量比較高. HO 是 high output, 瓦數比較大, 效率比較低, 單位長度的光通量比較高, 但是單位功率的光通量比較低:

在以往, HE 跟 HO 燈管雖然長得一樣, 但是安定器不能互通, 裝錯會造成 HE 燈管燒毀或是 HO 燈管亮度嚴重不足. 沒想到 OSRAM 居然有辦法用同一顆安定器點兩種燈管, 光是這個用管電阻偵測燈管功率再決定預熱後的管電流的動作就不得不叫人佩服, 這不是台灣那些阿貓阿狗安定器公司辦得到的.

順帶一提, 點日光燈管的時候, 燈絲預熱這個動作非常重要. 日光燈既然是熱陰極燈管, 就表示它的陰極要熱了以後電子才飛得出來. 如果你不等它的燈絲熱, 就像點 CCFL 一樣加高壓強迫電子飛出來把燈管打通, 這些被強迫逼出來的電子在飛出來的時候就順便帶一點燈絲上的材料飛出來. 你看到燈管兩端會黑黑的, 就是燈絲被蒸發以後凝結在燈管壁上的痕跡. 等到它夠黑, 就代表燈絲被剝出來的東西也更多了, 有一天燈絲就斷了, 這時燈絲就再也沒有加熱的功能, 它就真的變成 CCFL 了…

我之前在 Y 拍上買過幾組那種很便宜的 T5 層板燈 (21W 一百九還含燈管, 夠便宜吧 ?), 就是這種很爛的設計. 開關一打開, 啪! 燈管就亮了. 很爽, 都不用等, 結果用不到三個月, 一隻一百五的 Philips T5 燈管就掛了. 驗屍時發現燈管兩端嚴重黑化, 人是誰殺的不言可喻.

***

回到 OSRAM 的安定器. 調光式安定器有兩種控制介面: 傳統的 1…10V 輸入, 跟 DALI. 1…10V 是用一個一到十伏特的電壓來控制安定器的工作點, 而 DALI 則是很複雜的數位控制介面: Digital Addressable Lighting Interface, 它是雙向可定址的 bus, 有點類似 RS-485 那種介面.

因為一時三刻沒有那個閒工夫去搞 DALI 的控制器, 所以我買了 1…10V 的版本. 控制方法很簡單, 安定器上有兩隻腳, 它裡面有個小小的線性電源, 開路的時候是 10V, 燈管輸出全亮度. OSRAM 建議用一個 100Kohm 的可變電阻接在這兩隻腳上, 這兩隻腳在短路時最大可以 source 0.6mA 的電流, 因為它的內阻很高 (10V / 0.6mA = 16K ohm), 改變可變電阻的阻值就可以改變兩隻腳上的跨壓, 控制安定器的工作點.

看照片.

燈管的接線. 雙燈的安定器典型的接法, 兩隻燈管用七個接點. 其中一隻掛了的話另一隻也會自動斷電.

來看調光時的效果. 我把相機的曝光設定鎖住不變, 因此請注意燈管的亮度與周圍環境亮度的相對關係.

這樣大概是 90% 的輸出.

這樣大概是 40% 的輸出.

最後, 控制接點短路, 最低輸出.

這次裝潢打算來好好設計一下用可調光 T5 的照明系統. 至於要不要用 DALI 呢 ? 讓我再想想…