引言
近年來,高亮度LED照明以高光效,、長壽命,、高可靠性和無污染等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源,。在一些應(yīng)用中,,希望在某些情況下可調(diào)節(jié)燈光的亮度,以便進(jìn)一步節(jié)能和提供舒適的照明,。常見的調(diào)光有雙向可控硅調(diào)光,、后沿調(diào)光、ON/OFF調(diào)光,、遙控調(diào)光等,。可控硅調(diào)光器在傳統(tǒng)的白熾燈等調(diào)光照明應(yīng)用已久,,且不用改變接線,,裝置成本較低,各品牌可控硅調(diào)光器的性能和規(guī)格相差不大,,但是其直接應(yīng)用在LED驅(qū)動場合還存在著一系列問題,。
1 雙向可控硅TRIAC調(diào)光原理
市面上大多數(shù)可控硅調(diào)光器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其工作原理如下:當(dāng)交流電壓加雙向可控硅TRIAC兩端時,,由于Rt,、Ct組成的RC充電電路有一個充電時間,電容上的電壓是從0V開始充電的,,并且TRIAC的驅(qū)動極串聯(lián)有一個DIAC(雙向觸發(fā)二極管,,一般是30V左右),因此TRIAC可靠截止,。當(dāng)Ct上的電壓上升到30V時,,DIAC觸發(fā)導(dǎo)通,TRIAC可靠導(dǎo)通,,此時TRIAC兩端的電壓瞬間變?yōu)榱?,Ct通過Rt迅速放電,當(dāng)Ct電壓跌落到30V以下時,DIAC截止,,如果TRIAC通過的電流大于其維持電流則繼續(xù)導(dǎo)通,,如果低于其維持電流將會截止。電感L和電容C的作用是減小電流和電壓的變化率,,以抑制電磁干擾EMI問題,。
可控硅前沿調(diào)光器若直接用于控制普通的LED驅(qū)動器,LED燈會產(chǎn)生閃爍,,更不能實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)光控制,。原因歸結(jié)如下:
(1)可控硅的維持電流問題,。目前市面上的可控硅調(diào)光器功率等級不同,,維持電流一般是7~75mA(驅(qū)動電流則是7~100mA),導(dǎo)通后流過可控硅的電流必須要大于這個值才能繼續(xù)導(dǎo)通,,否則會自行關(guān)斷,。
(2)阻抗匹配問題,。當(dāng)可控硅導(dǎo)通后,可控硅和驅(qū)動電路的阻抗都發(fā)生變化,,且驅(qū)動電路由于有差模濾波電容的存在,,呈容性阻抗,與可控硅調(diào)光器存在阻抗匹配的問題,,因此在設(shè)計(jì)電路時一般需要使用較小的差模濾波電容,。
(3)沖擊電流問題,。由于可控硅前沿?cái)夭ㄊ沟幂斎腚妷嚎赡芤恢碧幱诜逯蹈浇?,輸入濾波電容將承受大的沖擊電流,同時還可能使得可控硅意外截止,,導(dǎo)致可控硅不斷重啟,,所以一般需要在驅(qū)動器輸入端串接電阻來減小沖擊。
?。?)導(dǎo)通角較小時LED會出現(xiàn)閃爍,。當(dāng)可控硅導(dǎo)通角較小時,由于此時輸入電壓和電流均較小,,導(dǎo)致維持電流不夠或者芯片供電Vcc不夠,,電路停止工作,使LED產(chǎn)生閃爍,。
2 一種可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動電源
線性調(diào)光存在的問題,,即人眼在低亮度情況下對光線的細(xì)微變化很敏感;而在較亮?xí)r,由于人眼視覺的飽和,,光線較大的變化卻不易被察覺,。并提出了利用單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)調(diào)光信號和調(diào)光輸出的非線性關(guān)系(如指數(shù)、平方等關(guān)系)的方法,,使得人眼感覺的調(diào)光是一個線性平穩(wěn)過程,。
文中設(shè)計(jì)的電路利用RC充放電電路來實(shí)現(xiàn)這一功能。
圖2是一種利用普通的脈寬調(diào)制PWM芯片結(jié)合外圍電路來搭建可控硅調(diào)光的LED驅(qū)動電路框圖,。維持電流補(bǔ)償電路通過檢測R1端電壓(即輸入電流)來控制流過維持電流補(bǔ)償電路的電流,。當(dāng)輸入電流較小時,維持電流補(bǔ)償電路上流過較大的電流,;當(dāng)輸入電流較大時,,維持電流補(bǔ)償電路關(guān)斷,維持電流補(bǔ)償以恒流源的形式保證可控硅的維持電流,。調(diào)光控制電路包括比較器,、RC充放電電路和增益電路。實(shí)驗(yàn)中選用一款旋鈕行程和斬波角成正比的可控硅調(diào)光器,,其最小導(dǎo)通角約為30°,。
根據(jù)圖2中,RC充放電電路的輸出經(jīng)過增益電路后可得電流參考為:
式中k為增益,,VC為RC充放電電路的輸入電壓,,τ為RC的時間系數(shù),θ為可控硅的導(dǎo)通角,。
則在最小導(dǎo)通角對應(yīng)的輸出為零,,即電路輸出的最大值對應(yīng)電流參考的最大值:
從式(1)和式(2)可得輸出電流表達(dá)式如式(3)所示,輸出電流在不同RC時間系數(shù)下隨可控硅導(dǎo)通角之間的關(guān)系如圖3a)所示,。
在斬波角為θ時,,電路對應(yīng)的輸入功率為:
式中Vp為輸入電壓峰值,Rin為等效輸入阻抗,。
假設(shè)電路的變換效率為η,,且電路的輸出功率為PO=IO·UO,則可得到電路的等效輸入阻抗如式(5)所示,。
從式(5)可得電路的功率因數(shù)如式(6)所示,,功率因數(shù)隨可控硅的導(dǎo)通角的關(guān)系如圖3b)所示。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
根據(jù)以上分析,,本文設(shè)計(jì)一臺基于反激變換器的可控硅調(diào)光LED驅(qū)動器,,控制芯片為NCP1607;輸入交流電壓220V,,最大輸出功率為25W,,最大輸出電流為0.7A,;以3串(每串10只0.8W的LED燈)相并聯(lián)作為負(fù)載;RC時間系數(shù)選擇0.5,,增益為0.2,。電路的實(shí)驗(yàn)波形和工作特性曲線如圖4所示。
圖4a),、b),、c)為可控硅導(dǎo)通角為115°時阻抗匹配開關(guān)驅(qū)動電壓VZ、輸入電流Iin,、輸入電壓Vin的波形,,電路的輸出電流為470mA,功率因數(shù)為0.78,。從圖中可看出,,當(dāng)可控硅導(dǎo)通瞬間,由于驅(qū)動器輸入端有差模濾波電容導(dǎo)致輸入電流有沖擊電流尖峰,而當(dāng)輸入電流小于一定值時,阻抗匹配開關(guān)開通以保證流過可控硅的電流大于其維持電流,。
圖4d)為可控硅不同導(dǎo)通角對應(yīng)的輸出電流曲線,實(shí)際調(diào)試中可控硅導(dǎo)通角在150°之后就接近滿載輸出了,。圖4e)為可控硅在不同導(dǎo)通角下對應(yīng)電路的cosφ曲線。
4 結(jié)語
本文分析了現(xiàn)有可控硅調(diào)光器用于LED驅(qū)動時存在的問題,,并根據(jù)人眼對光線反應(yīng)非線性的特點(diǎn),,設(shè)計(jì)了一種利用普通PWM芯片結(jié)合外圍電路搭建的可控硅非線性調(diào)光LED驅(qū)動電路,分析了電路在調(diào)光過程中的工作特性,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)0~100%平穩(wěn)無閃爍調(diào)光,。