基于可控硅調(diào)光器的LED驅(qū)動電路分析

引言

　　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。由于可控硅前沿斬波使得輸入電壓可能一直處于峰值附近，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。

　　(4)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)計的電路利用RC充放電電路來實現(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。實驗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。