LED 交流調光技術之探討
施勝獻 高望佾 方景平 崑山科技大學光電所 崑山科技大學電子所 崑山科技大學電子所 [email protected] [email protected] [email protected]
王文壽 副教授 甘廣宙 教授 崑山科技大學電子工程系 嘉義大學電機工程系 [email protected] [email protected]
摘要
目前常見的 LED 調光技術大多透過變壓器將
AC 電源轉換成 DC 電源，再使用直流方式調光。利 用這類之電路架構在合理成本上，無法達到令人滿意 之結果，且調光的應用範圍會受到限制。
本文採用美國國家半導體發行之離線式穩定電流 控制器 LM3445 來做探討，它可以支援具備 TRIAC 正反向相位控制功能的傳統壁掛式調光器，可穩定調 控 LED 之亮度，且不會有閃爍現象，並可提供寬廣 的調光範圍，同時此驅動器符合能源之星功率規範要 求。
關鍵字: LM3445、TRIAC、功率因數 I.前言
近年來隨著 LED 的興起與發展，室內燈光的照明 逐漸由傳統日光燈轉變為 LED 的燈光照明。目前現 有的 LED 調光技術較常見的可分 1.直流電壓調光 2.
頻率調光 3.脈波寬度調變(參考文獻[4]、[5]、[6])，但 因使用直流電壓來調光的話，調光的範圍及距離受到 限制，所以並不適用在需要大範圍調光的場合，而且 需要再透過變壓器轉換成直流，電路體積偏大，整體 效率以及 PF 值若考慮成本問題，均無法達到最佳效 能，本文探討 LM3445(參考文獻[8])之原理並將電路 實際驗證，調光方式是採用交流電並搭配傳統 TRIAC 調光器來調光，此舉可在不更動現有家用照明架構下 直接取代現有之熾熱燈泡。
傳統的 TRIAC 調光控制器是專為接到電阻性負載 而設計(例如是白熾燈或鹵素燈)，但對於傳統壁掛式 TRIAC 調光器來說，LED 並不屬於電阻性負載，因 此若利用傳統壁掛式 TRIAC 調光器來調控 LED 燈泡 的亮度，將無法達到最佳效能。
而現時標準壁掛式調光控制器的 LED 驅動器在調 光的過程中會產生 120Hz 的閃爍且不能支援 100:1 的 調光比，本文採用 LM3445 LED 驅動器可支援標準壁 掛式調光控制器，並將 TRIAC 的截波解碼轉換成一 個 LED 的調光訊號，實現寬闊的調光範圍且無閃爍 的亮度調控，無需再另外配置專用調光器。
此 控 制 器 也 可 使 用 微 控 器 輸 出 PPM 訊 號 控 制 TRIAC 來做調光，取代電阻式的 TRIAC 調光器，將 可讓此控制器更加多元化。
II.系統架構原理
本文主要利用 LM3445 驅動 IC 為核心，再配合其 基本外部電路等架構所組成之 LED 驅動電路，如圖 一所示。
圖一、LM3445 電路架構
此架構主要可分為 4 個部分，(1)TRIAC 調光器 (2)整 流線路電壓檢測及調光解碼器電路(3)被動式功率因數 校正電路(4)降壓式變換器。
2.1 TRIAC 調光器
圖二為 LM3445 電路架構的基本 TRIAC 調光電 路，R1、R2 和 C1 的值決定 C1 上電壓達到 Q1(DIAC) 觸發電壓之前的延遲時間。當 R1 值減小，Q2(TRIAC) 的導通延遲縮短，導通角增加，燈光亮度則增強，反 之，若 R1 值增加，TRIAC 導通角將減小，燈光亮度 則變暗。
圖二、TRIAC 調光電路
2.2 整流線路電壓檢測及調光解碼器電路
圖三為線路電壓檢測及調光解碼器電路，位於橋 式整流電路之後，R3、D11(稽納二極體)、Q3 以及 D12(肖特基)組成一個整流器，將整流後的電壓轉換
為一個平穩的電壓提供給 IC 的 BLDR 腳，D12 和 C6
的作用是當 IC 的 BLDR 腳上的電壓變低時，能夠維 持 IC 的 VCC 腳上的電壓，使 IC 可以正常操作。
TRIAC 導通角檢測電路利用 IC 內部一個 7.2V 的 比較器，由 IC 的 BLDR 腳來檢測 TRIAC 是導通或者 是不導通 ， 經由內部緩衝器輸出給由 R5 和 C8 組成 的低通濾波器濾波，由 FLTR1 腳進入給內部之斜坡產 生器，再透過 FLTR2 腳 C7 以及內部電阻組成之第二 個低通濾波器，給內部 PWM 比較器，此時，調光解 碼器會輸出一個 0~750mV 的電壓，TRIAC 導通角的 導通範圍角度為 45°~135°，直接控制 LED 的峰值電 流，可達到 0﹪~100﹪之調光範圍。
圖三、整流線路電壓檢測及調光解碼器電路
2.3 被動式功率因數校正電路
圖四為被動式功率因數校正電路(Power Factor Correction)(參考文獻[1]、[7])，主要由二極體 D5、
D6、D7、D8 和電容 C1、C2 所組成，當 D5 導通時會 對 C1、C2 作充電，當 D5 不導通時 C1、C2 會做放電 的動作，這樣可以讓 AC 線路的導通角範圍為 30°
~150°讓功率因數(PF)達到 0.9 以上，其中 C3 是為了 減少電壓的紋波。
圖四、功率因數較正電路
2.4 降壓式變換器
降壓式變換器(參考文獻[2])是由控制 ICLM3445、
MOSFET(Q1)、電感 L1、二極體 D9、電容 C4、電阻 R1 所組成的，用來驅動 LED 光源，如圖五所示。
當 LM3445 之 GATE 腳上的 PWM 訊號去驅動 MOSFET(Q1)，導通時，電流會流過 LED，並對電感 (L1)作儲存能量的動作，並藉由限流電阻(R1)來限制 流過 LED 之電流，當 R1 上的電壓等於 FLTR2 之參 考電壓，此時 Q1 截止，L1 會經由 D9 和 LED 釋放能 量，C4 會消除大部分 L1 之紋波，R2、Q2 以及 C5 是 設置固定關斷時間時提供線性斜坡電流斜坡信號。
圖五、降壓式變換器
III.實驗結果
LM3445 控制器可支援傳統 TRIAC 調光器做調光 功能，若無接調光器也可動作，圖六為無接上調光器 之波形，相位角導通角為全開，LED 全亮。
圖六、無接上調光器，相位導通角全開
接上 TRIAC 調光器後，可透過調光器對 LED 作 調光的動作，增加 TRIAC 調光電路可變電阻的阻 值，TRIAC 導通角減小，可降低 LED 之亮度，如圖 七所示。
圖七、利用 TRIAC 調光器對 LED 調光
圖八為 LM3445 電路架構之橋式整流，將交流電 源轉換成全波整流。
圖八、交流電經過橋式變全波整流
線路電壓檢測部分透過一個 12V 稽納二極體以及 MOSFET 會提供一個穩定的電壓給 LM3445 控制器，
讓控制器可以動作，如圖九所示。
圖九、提供給 LM3445 控制器之電壓
圖十為功率因數校正，當校正電路二極體 D5 導 通時會對電容 C1、C2 作充電，當線電壓低於 1/2 峰 值電壓時，C1、C2 會放電，維持住峰值電壓，讓導 通角在 30°~150°，提高功率因數。
圖十、功率因數校正
圖十一為驅動 14 串 20 並之 LED 的電流，透過電 阻 R1 來做限流，將 LED 電流控制在 400mA。
圖十一、LED 電流
圖十二為降壓式變換器之電感 L1 以及 MOSFET Q1 的量測圖，當 Q1 之 Vgs 腳導通時 L1 會儲存能 量，Vgs 截止時 L1 會釋放能量。
圖十二、降壓式變換器之電感及 MOSFET 量測 圖十三為實作出來之 LM3445 電路，並將其放進 LED 燈泡內。
圖十三、LM3445 實體電路圖
圖十四為 LM3445 電路所驅動的 LED 以及 TRIAC 調光器電路。
圖十四、LM3445 燈泡之 LED 及 TRIAC 電路 圖十五為 LM3445 燈泡，利用 TRIAC 調光器調光。
圖十五、TRIAC 控制 LM3445 燈泡亮度 圖十六為使用儀器測量其 PF 值，PF 值為 0.94。
IV.結論
在最後實驗中，將 LED 電流控制在 100mA 左 右，LED 採用 20 串 5 並的方式，功率因數(PF)值為 0.94，搭配 TRIAC 調光電路，可以讓 LED 的調光範 圍從 0﹪到 100﹪，且不會有閃爍的現象，並且可以 並接多組此控制器做更大範圍調光，應用範圍非常廣 泛。
V.誌謝
感謝經濟部在地型產業加值學界科專計畫：應用 於重點照明之白色發光二極體燈具研發三年計畫支 持，計畫編號：97-EC-17-A-07-S1-105。
參考文獻
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[8] 美國國家半導體，“LM3445.pdf＂， March，
2009
