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專家授課了:教你設(shè)計(jì)可調(diào)光LED燈

發(fā)布時(shí)間:2014-10-22 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】許多LED燈都宣稱可調(diào)光,但實(shí)際上,很多LED燈的性能并不十分理想,且由于所使用的調(diào)光器和電路負(fù)載不同而性能各異。本文將介紹一些些簡(jiǎn)單的LED可調(diào)光設(shè)計(jì)技巧,讓你們都能學(xué)會(huì)如何讓自己設(shè)計(jì)的可調(diào)光LED燈實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍的平滑調(diào)光效果。
 
多年來(lái),制造商不斷向市場(chǎng)推出LED燈,其最終目標(biāo)是要用來(lái)取代白熾燈和緊湊型熒光燈(CFL)。這些燈泡設(shè)計(jì)的演變經(jīng)歷了從非常簡(jiǎn)單的不可調(diào)光方案,到高級(jí)但昂貴的可調(diào)光方案,再到性價(jià)比更高的可調(diào)光方案。
 
許多LED燈都宣稱可調(diào)光,但實(shí)際上,很多LED燈的性能并不十分理想,且由于所使用的調(diào)光器和電路負(fù)載不同而性能各異。有時(shí),將LED燈安裝在設(shè)有調(diào)光器的室內(nèi)后,LED燈會(huì)出現(xiàn)閃爍且無(wú)法均衡調(diào)整光亮度的情況。
 
這些缺陷是由于現(xiàn)階段美國(guó)使用的大部分調(diào)光器都是基于雙向晶閘管(TRIAC)二線前沿切相電路的,這些電路開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)60年代,適用于電阻式白熾燈。TRIAC是一種雙向半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān),由可變定時(shí)電路生成的脈沖觸發(fā),并在傳導(dǎo)電流高于保持電流時(shí)維持導(dǎo)通。調(diào)光器電路的種類有很多,使用了不同特性的器件以及不同的控制電路和濾波元件。
 
LED燈的驅(qū)動(dòng)器電路將交流輸入電源轉(zhuǎn)換為低壓直流電源,并維持一個(gè)穩(wěn)定電流,驅(qū)動(dòng)高亮度LED負(fù)載獲得恒定光輸出。要想通過(guò)基于雙向晶閘管的調(diào)光器來(lái)調(diào)節(jié)基本的LED驅(qū)動(dòng)器電路,就必須額外添加一些元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)光器運(yùn)行,并根據(jù)調(diào)光器相位角來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流。
 
由于調(diào)光器差異較大,所連接的LED調(diào)光電路性能也有所不同。由于現(xiàn)在還未出臺(tái)明確標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分帶有調(diào)光器的LED燈泡的性能,使這一問(wèn)題變得更加復(fù)雜。至多會(huì)有一些燈泡制造商提供調(diào)光器列表,列明他們認(rèn)為可與其產(chǎn)品兼容的調(diào)光器。
 
在美國(guó)能源部(DoE)的支持下,美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)正著手制定適用于由切相調(diào)光器驅(qū)動(dòng)的LED燈的調(diào)光標(biāo)準(zhǔn),包括決定是否達(dá)到可接受性能的測(cè)試程序及指標(biāo)。希望這一標(biāo)準(zhǔn)最終能夠幫助清理掉市場(chǎng)上那些聲明可調(diào)光,但性能遠(yuǎn)未達(dá)到終端用戶所期待的柔和、穩(wěn)定如白熾調(diào)光預(yù)期的產(chǎn)品。
 
大部分LED燈泡使用的驅(qū)動(dòng)電路都包含降壓、升降壓或反激式轉(zhuǎn)換器。在各種情況下,都可通過(guò)修改基本電路來(lái)實(shí)現(xiàn)可接受的調(diào)光性能,同時(shí)不會(huì)增加器件的成本和復(fù)雜性。這樣就可以提升可調(diào)光驅(qū)動(dòng)器的性能,進(jìn)而滿足消費(fèi)照明市場(chǎng)的成本節(jié)約要求。
 
兼容性的問(wèn)題在于TRIAC調(diào)光器電路如何與LED驅(qū)動(dòng)器輸入電路進(jìn)行交互。
 
單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器示例電路(圖2)取代了圖1中代表白熾燈的電阻性負(fù)載。盡管這一電路由于在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的高功率因數(shù)模擬了電阻性負(fù)載,但其前端也包括了EMI濾波所必需的電容器。此外,LED燈泡所消耗的功率比同等白熾燈的25%還要少。結(jié)果就是,在TRIAC觸發(fā)前,調(diào)光器在交流線路半周期中主要承受電容性負(fù)載。
典型的調(diào)光器原理圖
圖1:典型的調(diào)光器原理圖
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基本的LED驅(qū)動(dòng)器電路框圖
圖2:基本的LED驅(qū)動(dòng)器電路框圖
 
圖1所示的雙向觸發(fā)電路若想要按照設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)行,還需要一條電阻性路徑至中性點(diǎn)。如果改為電容性負(fù)載,這一電路將無(wú)法正常運(yùn)行,并導(dǎo)致周期轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定觸發(fā)的情況,具體表現(xiàn)為輸出的光不停閃爍。調(diào)光器和LED驅(qū)動(dòng)器中的EMI濾波器,還會(huì)由TRIAC啟動(dòng)時(shí)的高dv/dt引起振鈴振蕩。
 
振蕩幅度達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)導(dǎo)致電流降至“保持電流”以下,從而使TRIAC關(guān)閉,而無(wú)法在下一次線路過(guò)零之前維持TRIAC導(dǎo)通。這一情況通常會(huì)由于觸發(fā)電路重觸發(fā)TRIAC,導(dǎo)致其在單個(gè)線路半周期中多次開(kāi)和關(guān)。除了給元器件造成應(yīng)力并很可能破壞調(diào)光器或LED驅(qū)動(dòng)器之外,這將導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的閃爍以及令人不悅的噪聲情況。
 
假設(shè)使用LED燈所適用的調(diào)光器來(lái)替代該調(diào)光器并不是理想的解決方案,那么可以通過(guò)修改LED驅(qū)動(dòng)來(lái)解決上述問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)調(diào)光器的搭配使用。
可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)示意圖
圖3:可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)示意圖
 
示例電路(圖3)為單級(jí)LED反激式轉(zhuǎn)換器,同樣的技術(shù)也可用于升降壓或適應(yīng)性降壓轉(zhuǎn)換器。首先,必須在設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)將輸入電容保持在最小值,這樣也有助于實(shí)現(xiàn)最佳的功率因數(shù)。
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下一步介紹的是有源衰減器及無(wú)源泄放器電路。衰減電路在TRIAC觸發(fā)時(shí)會(huì)限制沖擊電流,從而極大地抑制振鈴,以至TRIAC保持導(dǎo)通狀態(tài)。短暫延時(shí)后,衰減電阻被一個(gè)小的MOSFET所旁路,以防止在余下的導(dǎo)通期間產(chǎn)生功率損耗。為將低功率驅(qū)動(dòng)器成本降至最低,可忽略旁路MOSFET及其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路,但這會(huì)導(dǎo)致電阻器的散熱及相關(guān)的效率損失。
 
可使用無(wú)源泄放器電路代替一些調(diào)光解決方案中使用的有源泄放器。該串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)從觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始傳導(dǎo)電流,時(shí)間足夠開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器開(kāi)始抽取電流,這有助于確保電流在這一期間不會(huì)降至保持電流以下。以恒定導(dǎo)通時(shí)間運(yùn)行的反激式或升降壓轉(zhuǎn)換器作為接至直流總線的主要電阻性負(fù)載,可在下次線路過(guò)零前保持調(diào)光器TRIAC的導(dǎo)通狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器需要抽取足夠多的電流,以保持在TRIAC保持電流之上。單級(jí)PFC反激式或升降壓轉(zhuǎn)換器通常可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
 
此處所述電路采用了IRS2983控制器IC,其運(yùn)行在電壓模式下。COMP輸入端上的直流電壓電平?jīng)Q定了開(kāi)關(guān)周期的導(dǎo)通時(shí)間。因?yàn)榭刂破鱅C常與初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)一起使用以保持恒定的輸出功率,所以必須在這一輸入端上增加齊納二極管來(lái)鉗位COMP電壓。這就對(duì)最大導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置了限制,以致在調(diào)光期間,當(dāng)直流總線電壓下降時(shí),導(dǎo)通時(shí)間就無(wú)法增加來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。
 
結(jié)果就是,隨著調(diào)光器設(shè)置的降低及直流總線電壓的下降,輸出電流也會(huì)降低。這樣就可以在無(wú)需采用更復(fù)雜的電路來(lái)檢測(cè)調(diào)光器相位角或調(diào)節(jié)輸出的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)光器控制將燈光亮度調(diào)節(jié)至低于20%。同時(shí),必須在調(diào)光關(guān)閉期間釋放控制器VCC電源,以確保IC僅在所需時(shí)段運(yùn)行。為此使用了一個(gè)高壓二極管連接VCC與直流總線。
 
有源衰減器及無(wú)源泄放器電路也可與降壓轉(zhuǎn)換器一起使用,但結(jié)果取決于LED電壓。由于在線路電壓低于輸出電壓時(shí)轉(zhuǎn)換器無(wú)法抽取電流,相位調(diào)光運(yùn)行范圍將受到限制。出于這一原因,LED電壓最好保持較低,但也不能太低,否則電路將變得無(wú)效,需要使用過(guò)大的電感器。對(duì)于保持合理調(diào)節(jié)范圍的120VAC系統(tǒng),LED電壓最好是20V~40V。CCM降壓LED控制器IC(如IRS2980)可在不平滑的總線電壓始終高于LED總輸出電壓的同時(shí),維持LED燈的平均電流調(diào)節(jié)。
 
本文介紹的這些簡(jiǎn)單技巧在與所述的LED轉(zhuǎn)換器一起使用時(shí),可使大多數(shù)基于TRIAC的調(diào)光器實(shí)現(xiàn)無(wú)閃爍的平滑調(diào)光效果。
 
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