由于高亮度的发光效率及价格条件愈来愈好，因此LED已取代荧光灯成为最受欢迎的光源之一。但对于固态（SSL）产品来说，如何配合现有的基础电力设备就成为挑战。



　　本文将探讨采用TRIAC调光器的可调光LED灯，以及在不改动低价TRIAC调光器基本架构前提下就能直接以L印取代旧有照明设备的方法。TRIAC（顺向阶段）调光器运作原理

 

 



　　图1为TRIAC调光器的基础原理图。其中的基础器件包括了电位计（R1）、固定电阻（R2）、电容（C1）、DIAC TRIAC.



　　RC网络是由R1、R2和C1组成，当C1上的电压达到DIAC的触发电压后，TRIAC才会开启。增加电位计的电阻大小R1（针头向下移动）增加了开机的延迟时间，并减少了TRIAC的导通角（e）。



　　图2所示为一般TRIAC调光器的电压波形图。图2（a）所示为输入端的全正弦电压波形图。即使在亮度最大的时候，只有几个调光器会100%准时，也就是全正弦波。



　　图2（b）所示为从TRIAC调光器看到的截波电压波形图。准时通常会以“导通角”来代表，其单位可以表示成度或弧度。不准时代表延误，延误的原因是RC电路在提供TRIAC电流。不准时通常会以“点火角”来代表。

 

 



　　图3所示为含有电感与电容滤波器的TRIAC调光器电路图。电感与电容滤波器以降低dv/dt电压尖端值，来减少导体EMI效应。白炽灯的电阻负载特性让L-C滤波器产生了阻尼效应，并且保持电流值与TRIAC相同。



　　TR JAC调光器利用每个半周期内的负载电压延迟来降低负载功率。此方法对于白炽灯的电阻负载很有帮助，但却会破坏到其他种类的负载。



　　采用TRIAC 调光器的可调光 LED潜在问题



　　使用TRIAC调光器在传统的直流/交流功率转换器中，并不会出现照明设备的阻尼与电流维持效应。因此许多荧光灯与LED的驱动器上都有标明“无法与调光器一起使用”.



　　图4所示为传统直流/交流切换模式的LED驱动器。位在输入端及中间端的EMI滤波器，是用来抑制由切换模式的功率转换器所产生的导体噪声，以防被其他的电子器件所干扰。许多价格低廉的交流/直流LED驱动器能直接校正交流信号，并供应脉冲值流信号给大容量电容，让功率转换器能拥有稳定的直流电压。



　　若切换模式的功率无法表现出纯电阻特性时，将无法与TRIAC调光器产生作用。如此一来可能会发生以下的潜在问题：



　　1） LED 会在极低导通角下闪烁



　　由于TRIAC通过零交点时处于关闭状态，传统的交流/直流切换模式LED驱动器会关闭，同时无法驱动LED的负载。因此，如图5所示，TRIAC调光器在极低导通角的状况下，人眼将会辨识出LED负载在两倍频率（如100Hz/120Hz）下的短开启时间，造成眼睛看的出闪烁效果。



　　2）在输入滤波器电容端的电压有明显的上升

 

　　如图3所示，传统TRIAC调光器包含了一组EMI抑制电容（电容值范围在10-100nF），此电容并联连接到TRIAC,产生大量的电流流进输入滤波器电容中，导致调光器在关闭状态下，输入电容的电压值突然上升：并由于过应力效果的关系，导致输入滤波器电容遭到破坏。



　　3）没有足以维持TRIAC导通的电流



　　根据机械继电器的“信号遗失”或“保证释放”现象，可以了解要让TRIAC维持在开始状态的最低要求，就必须维持电流。如前所述，许多交流/直流LED驱动器都适合采用桥式整流器。电流只在电压峰值出现时的一小段时间内出现，而在每个半周期的其余时间都不会有电流出现。因此没有足够的交流电流可以维持TRIAC的导通。



　　4）TRIAC点火时出现的输入电流震荡



　　任何一种切换模式的LED驱动器都包含了在交流端的EMI滤波器。此外，TRIAC调光器也包含了一组LC滤波器。所有的滤波器一般来说都包含了电感器件与电容器件。如图6所示，在每一半周期中，当TRIAC点火后，dV/dt的急剧上升会导致多次的输入电流震荡与逆流。在电流逆流的过程中，TRIAC可能会导通或是关闭。每一次TRIAC的突然点火失败都会导致LED闪烁。



　　潜在问题的建议解决方案



　　接着本文将讨论可能的解决方案，包括了使用LED灯完全取代现有的白炽灯泡照明系统。1）解决在极低导通角下LED的闪烁问题

 

　　图7为美国国家半导体的脱机TRIAC可调光LED驱动器的原理与方块图。



　　图7中虚线为LM3445的角度侦测与尺寸译码器，它能将TRIAC截波信号转换成一组模拟参考信号。模拟参考信号的电压值正比于TRIAC调光器的导通角大小。接着将藉由比较模拟信号电压值与主MOSFET的切换电流大小，来控制降压转换器的占空比。降压转换器的占空比会决定LED的连续电流大小。



　　图8所示为LM3445 TRIAC可调光LED驱动器的截波波形图。CS接角的电压波形（降压切换电流）碰触到FLTR2接角的参考电压波形后，驱动闸脉冲消失，直到下一个周期中才再出现。而LED的连续电流是藉由准时度与主切换的占空比所控制的。



　　换句话说，TRIAC调光器的导通角降低，会造成FLTR2接角的直流电压值下降，主切换的占空比下降，最终降低了LED的连续电流串。



　　和其余LED驱动器只能由100/20的频率停止开关不同的是，LM3445能根据TRIAC调光器的导通角来调整连续电流。因此，特别是TRIAC调光器在低导通角的状况下，能提供一个广泛的导通角度而不会有1 20Hz的闪烁现象。2）在TRIAC关闭时抑制输入滤波器的大幅度电压上升



　　当BLDR接角低于7.21V的临界电压时，代表此时的TRIAC处于关闭状态，分压MOSFET被切换到稳压器上会串连着一组小负载（230 ohm）。当TRIAC尚未点火时，此2300hm的额外负载能抑制输入端的电压上升，因此是必须的！



　　当BLDR接角高过7.21V时，代表TRIAC是导通的，此时分压电阻会被移除以增加效率。



　　3）提供维持TRIAC导通的电流



　　为了使任何的LED驱动器都能像是白炽灯泡（本质上为一个电阻），现今的TRIAC需要在交流周期中有最小的电流，来维持点火后的导通状态。这就是所称的TRIAC维持电流，简称Ihold.

 

 



　　如图10A所示，TRIAC可调光LED驱动器最终由来自交流电源的两个主电流路径所组成，其中有来自LED驱动电路的lin driver（t），以及来自分压电路的lbleeder（t）。此外，lin_driver（t）与lbleeder（t）的电流大小总和必须高过维持电流交流周期中的维持电流lhold,以维持TRIAC在点火后的导通状态。



　　在TRIAC调光器的导通角很低的状况下，LED驱动电路中的总电流lin_driver值会很小。所以TRIAC调光器中的分压电流必须等于维持电流的大小。

 

　　图10B所示为LM3445驱动机制中的分压电路图，其中包含了刚、D1、R2与R5几个器件。而我们可藉由下面的方程式算出R5的大小，来透过Q1改变分压电流大小：

　　　Ibleeder≈IQl=lR5+lCC

　　lR5=lbleeder-lCC=(Vz-Vgs-th)／R5

　　R5：V₂-V_gs-th/I_bleeder-I_CC



　　R5与分压电流的数值大小主要取决于TRlAC调光器的类型。在使用高功率的TRlAC调光器时，需要藉由调低R5值的大小来得到所需较多的维持电流。但是，Q1同时也会产生更多的散热现象，并导致转换效率的降低，而分压功率损耗量等于VaC_rmsx IQl.



　　无论是否需要，分压电路在整个整流交流波形半周期期间，都会从输入端得到电流。图11提出一种更有效率的设计方式。在这种线性RHOLD电路中，分压电路只有在需要使用时才会被加上去。



　　线性RHOLD电路

 

 

 



　　图11中，当LED电流减少（或当TRIAC导通角减少）时，RHOLD电阻上会留过更多的电流。随着TRlAC调光器导通角的增加，来自LED的驱动电流（即lin_driver）会更足以维持TRIAC的导通。此时可藉由中断与Rhold的连接来切断额外的TRIAC维持电流。



　　从图11中的图表可以看出，此电路只增加了在LM3445DIM接角上50%开启占空比的TRIAC维持电流。且DIM接角的占空比反比于TRIAC调光器的导通角大小。



　　4）防止TRIAC点火失效的EMI滤波器设计



　　图12所示为其中一种EMI架构图，当TRIAC点火时，它可以防止输入滤波器的震荡。



　　相对于图6中的标准EMI滤波器，并没有放置x电容于桥式整流器的交流输入端接角来防止LC滤波器震荡的发生。不同的是，这里把LC滤波器放置在桥式整流器之后来补偿x电容的移除。



　　除此之外，在交流输入端当中加入RC震荡器网络，对TRlAC调光器的电容与电感器件以及EMI滤波器的x电容问共振现象会产生阻尼的效果。



　　结论



　　当采用SSL时，对优化LED亮度的有效驱动机制是不可或缺的。对于一般亮度的固态照明而言，另一个重要的驱动议题是要符合标准的规格，像是Globes、PAR30/38、T5/T8等，以及是否能与现今的电力基础设施兼容，例如壁挂式调光开关。因此，能直接使用LED灯泡取代旧有灯泡而不需改变标准灯具规格的解决机制，以及低价格的TRlAC调光器，将在新一代的照明世界中扮演重要的角色。