適用可調光 照明的線性驅動電路 作者 : 陳威銘 / 達鑫電子產品應用經理 近年來, 隨著 相關技術的快速發展以及 生產成本的逐漸降低, 使得 已廣泛地被運用於各式各樣的領域, 加上 本身具有節能省電 色彩飽和度佳 使用壽命長與符合環保等優點, 因此在環保與節能意識抬頭的今天, 高效省電的 照明燈具正逐漸地取代傳統的白熾燈與螢光燈, 成為照明市場的主流 照明其最主要的目的就是在夜晚或自然光不足的場所提供足夠的亮度, 然而在某些時段或場合, 當所需要的亮度降低時, 若可以適時地將燈光調到比較暗的程度, 將可以更進一步來降低能源的消耗, 達到節能減碳的目的 而講到照明的調光部分, 往往就會讓人聯想到一般常用的 TRIAC 調光器 傳統上,TRIAC 調光器大都搭配白熾燈來進行調光, 因此當 燈要來取代傳統的白熾燈時, 燈最好也要能搭配原先就安裝好的 TRIAC 調光器來進行調光, 如此用戶才會覺得使用 燈跟使用白熾燈是一樣方便的, 可以不用更改原先就已經配置好的 TRIAC 調光器就可以隨意的對 燈進行亮度調整 有鑑於此, 本文將說明如何以達鑫電子的離線式可調光線性定電流 驅動 IC 來實現可搭配 TRIAC 調光器的可調光 驅動電路 Lin TRIAC Lout RT RT Q DIAC CT 圖一基本的 TRAIC 調光器內部電路 TRIAC 調光器的工作原理 在介紹可調光線性定電流 驅動電路之前, 本文將先對 TRIAC 調光器的基本工作原理做簡 單的說明 圖一所示為基本的 TRIAC 調光器內部電路, 主要由雙向三極閘流體 (TRIAC) 雙 向觸發二極體 (DIAC) 可變電阻 RT 電阻 RT 與電容 CT 所組成, 其中 TRIAC 本身就如同
由兩顆矽控整流體 (SCR) 反向並接而成, 其可用來控制電路中交流電源的切入角度, 調整輸出 的平均功率 藉由使用外部驅動電路, 於 TRIAC 閘極提供控制訊號, 將可使 TRIAC 導通, 當 TRIAC 導通 之後, 若要使 TRIAC 在閘極控制訊號移除之後仍然維持在導通狀態, 則必須使流經 TRIAC 的 電流大於其本身所需求的保持電流 (Holding Current), 否則 TRIAC 將會截止 一般而言,TRIAC 主要是藉由交流電源通過零交越點時, 讓流經 TRIAC 的電流降至保持電流以下而截止 而由圖一可發現,TRIAC 的驅動電路主要由 DIAC RT RT 與 CT 所構成, 於交流電源的每半個週期開始, 交流電源將經由可變電阻 RT 與電阻 RT 對電容 CT 充電, 當充電至電容 CT 的跨壓大於 DIAC 的崩潰轉態電壓時,DIAC 將會導通, 驅動電路就會產生一觸發訊號送至 TRIAC 的閘極, 使 TRIAC 導通, 因此藉由改變可變電阻 RT 的電阻值, 將可改變電容 CT 的充電時間, 進而改變電路中交流電源的切入角度 可調光線性定電流 驅動電路 圖二所示為本文所要介紹的可調光線性定電流 驅動電路, 主要由橋式整流器 離線式可調光線性定電流 驅動 IC 及 燈所組成, 由於驅動電路中只使用到幾個電阻與陶瓷電容, 並沒有使用到電解電容與磁性元件, 因此不會有因為電解電容使用壽命的限制而導致驅動電路使用壽命降低的問題, 且可大大的減少驅動電路的體積與降低驅動電路的成本 R R R Fuse TVS R CS 0 9 ACS S DS/ S S CS C CS RADL S String S String S String 圖二可調光線性定電流 驅動電路
驅動電路中,DS/ 為達鑫電子的離線式可調光線性定電流 驅動 IC, 其可用來驅動由多個 燈串串接在一起所組成的 燈,DS/ 本身會依據不同的輸入電壓大小, 來自動調整 燈串被點亮的數目, 隨著交流輸入電壓的變動, 驅動電路將會依序點亮 S 燈串 S 燈串與 S 燈串 ; 而在整個交流輸入電源的半個週期間, 各組 燈串的電流變動情況, 則如圖三所示 CH: Rectified Voltage, CH: S Current, CH: S Current, CH: S Current 圖三 燈的電流波形而所介紹的離線式可調光線性定電流 驅動電路, 除了可以提供一穩定的電流來驅動 燈之外, 其本身可搭配 TRAIC 調光器來對 燈進行亮度調控 由於一般的 燈在搭配 TRAIC 調光器進行調光控制時, 常常會遇到當 TRAIC 調光器調光到某區段時, 驅動電路無法提供 TRIAC 本身所需的觸發電流與保持電流, 而發生 燈光輸出不穩定的現象, 因此一般用來搭配 TRAIC 調光器的 驅動電路大都會加入仿製負載, 讓在整個調光過程中 驅動電路都可以提供 TRIAC 本身所需的觸發電流與保持電流, 來避免發生 燈光輸出不穩定的問題 有鑑於此,DS/ 本身內建有主動式的仿製負載控制電路來改善此問題, 當搭配 TRAIC 調光器來進行 燈亮度調控時, 只需選用合適的仿製負載 RADL, 即可大幅改善 燈光輸出的穩定性, 提供穩定的光輸出 由於 DS/ 可調光線性定電流 驅動電路中所使用的是主動式的仿製負載, 因此在整個交流電源週期裡, 只有當仿製負載有被需要時, 主動式的仿製負載才會被啟動, 不會如同被動式的仿製負載, 在整個交流電源週期裡都是一直被啟動的, 如此將可大幅地減少電路中仿製負載所造成的功率損耗 圖四與圖五為 TRAIC 調光器的觸發角分別為 0 度與 0 度時, 輸入電壓和 電流的波形圖, 隨著觸發角度的增加, 燈的電流將會隨之減少, 使得 燈的亮度亦隨之降低
CH: Input Voltage after, CH: Current 圖四觸發角為 0 度 CH: Input Voltage after, CH: Current 圖五觸發角度為 0 度 當使用可調光線性定電流 驅動電路來驅動 時, 由於只有在輸入電壓上升到比 燈串的順向電壓高時, 可調光線性定電流 驅動電路才會以恆定電流來驅動 燈串, 所以 燈串將無法在整個交流輸入電源的半個週期間都被點亮 當輸入的交流電源電壓較 燈串的順向電壓低時, 燈串將不會被點亮, 如此將會造成在整個交流輸入電源的半個週期間, 燈串有些時候是點亮的, 但有些時候是熄滅的, 導致頻閃的現象發生 為改善此一現象, 則可如圖六所示, 藉由在 S 燈串並聯一大電容 CS, 使 S 燈串在整個交流輸入電源的半個週期內都可以持續被點亮, 如此將可改善頻閃的問題
R R R D Fuse TVS R CS 0 9 ACS S DS/ S S CS CS RADL + CS S String S String S String 圖六改善頻閃現象之可調光線性定電流 驅動電路 由於 DS/ 是使用分段的方式來驅動 燈串, 在整個交流輸入電源的半個週期內, 各組 燈串被點亮的時間將會有所不相同, 因此當使用 DS/ 來分段驅動 燈條或燈絲型的 燈時, 有可能會有亮度不均的現象發生, 此時則可改選用圖七所示的 DS0 單段可調光線性定電流 驅動電路來驅動 燈, 如此將可改善此問題 + FUSE - RING R R R N R DS0 R 圖七單段可調光線性定電流 驅動電路 結論 本文介紹了一系列可調光線性定電流 驅動電路, 並對 TRIAC 調光器的工作原理做了基本說明 文中所介紹的 驅動電路其均可用來搭配 TRAIC 調光器對 燈進行亮度的調控, 且 驅動電路本身也都沒有使用到磁性元件, 只有使用到幾個電阻與陶瓷電容, 具有電路架構簡單 成本低廉 外部離散元件少等優勢, 適合使用於光電一體化的 照明模組中 相信這些 驅動電路將能成為可調光 燈具或光電一體化 照明模組中驅動電源的不錯選擇