中心議題:
- LED TRIAC調(diào)光器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
- 基本的LED調(diào)光方法
- TRIAC調(diào)光器的工作原理
解決方案:
- 分壓器設(shè)置不同的觸發(fā)電流點(diǎn)
- 利用簡(jiǎn)單的BJT來調(diào)節(jié)電流
- 電路中采用逐脈沖電流限制或PWM電流限制技術(shù)
高亮度LED是傳統(tǒng)白熾燈的一種理想替代方案,因?yàn)榍罢叩膲勖托识急群笳吒叩枚啵也煌诰o湊型熒光燈泡,這些LED能夠在低溫下工作。然而,和冷陰極熒光燈(CCFL)燈泡一樣,高亮度LED也未能擺脫眾多家庭和應(yīng)用中常見的三端雙向可控硅(TRIAC)調(diào)光器。本文將介紹一種具成本優(yōu)勢(shì)的高亮度LED(HBLED)調(diào)光方法。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
基本TRIAC調(diào)光器開關(guān)廣泛運(yùn)用于家裝店和大多數(shù)家庭,要了解有關(guān)采用這種調(diào)光器開關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),我們必須對(duì)TRIAC電路的基本工作原理以及高亮度LED電路的基本設(shè)計(jì)原理進(jìn)行深入的研究。
高亮度LED一般由恒流電源驅(qū)動(dòng),因?yàn)殡S著LED逐漸變熱,其電壓降將減?。欢?,若LED串由恒壓電源供電的話,電源往往會(huì)持續(xù)提供過多的電流,使輸出電壓增大,直到電源達(dá)到電流限值或LED失效。
基本的LED調(diào)光方法
高亮度LED有兩種基本調(diào)光方法。第一種是PWM調(diào)光方法,即在大于200Hz的某些頻率下以0%到100%的不同的導(dǎo)通時(shí)間百分比(占空比)導(dǎo)通和關(guān)斷LED。在導(dǎo)通期間LED滿電流工作,而在關(guān)斷期間LED上沒有電流流過。這就保證了色彩的一致性。
另一種方法是控制流經(jīng)LED串的電流量。這可能導(dǎo)致LED串的電壓下降,并造成輕微的色差。不過,如果觀察調(diào)光器打開情況下工作的白熾燈,也會(huì)看到明顯的色彩變化。
TRIAC調(diào)光器的工作原理:
大多數(shù)調(diào)光器內(nèi)都有一個(gè)簡(jiǎn)單的TRIAC電路,其核心如圖1所示。我們討論的重點(diǎn)是TRIAC的兩個(gè)屬性。即一旦柵極被觸發(fā)就允許電流流過,以及若有足夠電流流過,TRIAC就保持導(dǎo)通。要設(shè)計(jì)正確的調(diào)光電路,必須了解這兩個(gè)電流,觸發(fā)電流和保持電流。以調(diào)光器開關(guān)中常采用的3A800VTRIAC器件FKPF3N80為例,該器件的觸發(fā)電流為20mA,保持電流為30mA。當(dāng)柵極電流接近20mA時(shí),該TRIAC導(dǎo)通,當(dāng)流經(jīng)電流至少為30mA時(shí),TRIAC保持導(dǎo)通狀態(tài)。
當(dāng)用戶旋開調(diào)光器旋鈕時(shí),他其實(shí)是在改變電阻分壓器。分壓器在AC周期內(nèi)設(shè)置不同的觸發(fā)電流點(diǎn),從而設(shè)定TRIAC的觸發(fā)點(diǎn)。通過選擇TRIAC的設(shè)置點(diǎn),用戶實(shí)際上選擇了負(fù)載供電所需的AC電壓的占空比,而這個(gè)占空比是LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)LED亮度所需的信息。
為了對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光,需要把60Hz占空比轉(zhuǎn)換為可用于上述任一種調(diào)光方法的數(shù)值。一旦觸發(fā)導(dǎo)通,必須確保TRIAC有足夠的電流。第一部分很容易做到,可利用圖2所示的電路來實(shí)現(xiàn)。圖中,TRIAC調(diào)光器和雙向光耦合器從AC線輸入獲得占空比信息,對(duì)簡(jiǎn)化電路進(jìn)行供電。[page]
120Hz信號(hào)經(jīng)一個(gè)電阻/電容濾波器處理為代表AC電壓占空比的電壓,并經(jīng)由TRIAC調(diào)光器提供給電源??赏ㄟ^多種方法利用這個(gè)電壓來控制LED電流。在圖示電路中,利用兩個(gè)電阻把雙極結(jié)型晶體管(bipolarjunctiontransistor,BJT)偏置到所需的最大負(fù)載電流,并假設(shè)光耦合器完全導(dǎo)通(占空比=100%),濾波器電容被充電到最大電勢(shì)能量。鑒于VCC一般都很低,小于~24V,所以電容的尺寸很小,即使其數(shù)值往往相當(dāng)大,足以作為120Hz濾波器。
在上述實(shí)現(xiàn)調(diào)光器和LED電流調(diào)節(jié)器的方法中,最好是有一個(gè)恒壓電路。這樣一來,就可以利用簡(jiǎn)單的BJT來調(diào)節(jié)電流。設(shè)計(jì)人員需要把BJT完全偏置到LED串允許的最大電流,并在該電流下把輸出電壓設(shè)置到冷LED溫度所需的值,從而讓BJT能夠以100%的占空比控制電流。注意VCE低至~0.2V,電流最大值一般在350mA到1.35A間。
因此,對(duì)于1.35A負(fù)載電流的設(shè)計(jì),功耗為VCE(SAT)*Ic~0.27W。隨著占空比下降,BJT開始限制電流,其VCE將上升,故在50%占空比飽和的情況下,LED電流將為最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的一半。因此功耗為VCE*Ic,并很容易設(shè)計(jì)為足夠低的范圍,以便于管理。
這種方案的另一個(gè)關(guān)鍵部分是作為恒壓電源工作的AC-DC電源。這通常會(huì)消耗大量電流,使調(diào)光器開關(guān)中的TRIAC一旦觸發(fā)即閂鎖(latch)。
由于我們有代表AC輸入(RC濾波器輸出的)占空比的電壓,故我們能夠利用這一信息來控制由其它電路驅(qū)動(dòng)的LED的亮度。要在電路中采用逐脈沖(pulse-by-pulse)電流限制或PWM電流限制技術(shù),基本AC-DC電路必須是恒流電路,如圖3所示。我們因此只需要把電路中的代表占空比的電壓加載到比較器上,便可以額外增加一個(gè)占空比電壓。例如,在圖3所示的電路中,我們可以讓IPEAK設(shè)置阻抗R8與一個(gè)在線性區(qū)域內(nèi)偏置并利用上面所示的光耦合器電路進(jìn)行控制的小型MOSFET并聯(lián)。
許多高亮度LED驅(qū)動(dòng)器電路都帶有一個(gè)可作為L(zhǎng)ED調(diào)光之用的比較器。其中有些電流輸出很小,并可讀取引腳上的電壓,用以控制初級(jí)端開關(guān)或低頻占空比。在任何一種情況之下,關(guān)鍵都在于把AC占空比轉(zhuǎn)換為可用值。光耦合電路可以很好地做到這一點(diǎn),并提供隔離,故可以在初級(jí)端或次級(jí)端電路的任何地方使用這些數(shù)據(jù)。
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