美國(guó)新的聯(lián)邦能源法要求在2012年之前逐步淘汰現(xiàn)在常見(jiàn)的 60W~100W 白熾燈等低能效照明燈泡。家用照明系統(tǒng)將全面轉(zhuǎn)向熒光燈、LED等其他節(jié)能光源。在目前這段照明系統(tǒng)切換的過(guò)渡期，比較明智的辦法是令高效照明技術(shù)與現(xiàn)有的家用調(diào)光系統(tǒng)相兼容。本文重點(diǎn)介紹了目前LED 調(diào)光解決方案面臨的挑戰(zhàn)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員利用現(xiàn)有的三端雙向可控硅壁裝式調(diào)光器來(lái)對(duì)節(jié)能的離線 LED 電源進(jìn)行調(diào)光。
在美國(guó)聯(lián)邦節(jié)能法的推動(dòng)下，LED 技術(shù)將給商業(yè)和家用照明領(lǐng)域帶來(lái)全新的變革。LED 的功率僅為燈泡的幾分之一，比熒光燈的效率(流明/瓦)更高，使用壽命長(zhǎng)，而且沒(méi)有汞排放等帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。
如果要將低效的愛(ài)迪生白熾燈泡轉(zhuǎn)換為 LED照明系統(tǒng)，改裝方案必須能夠適應(yīng)現(xiàn)在的建筑條件要求。
替換MR16 12V鹵素?zé)?br/>
常見(jiàn)的MR16 20W-35 W的鹵素?zé)艉苋菀妆煌韧庑纬叽绲?LED 燈所替換。在圖 1 的設(shè)計(jì)示例中，驅(qū)動(dòng)高亮度LED的600mA恒流來(lái)自常規(guī)電子變壓器的 12V 交流電源。由于 LM3405A 驅(qū)動(dòng)器的工作電壓范圍較寬，一個(gè)非常小的輸入電容器即可維持連續(xù)運(yùn)行。高開(kāi)關(guān)頻率內(nèi)部設(shè)置為 ，允許使用極小的表面貼裝電感器和貼片電容器。所有這些因素都有助于壓縮 PCB 的整體尺寸，以滿足MR16外形規(guī)格對(duì)空間的嚴(yán)格限制。
圖1 使用LM3405控制器的MR16 LED燈設(shè)計(jì)
使用電子變壓器分出 12V 交流電壓是MR16 鹵素?zé)舻某Ｒ?jiàn)做法，該電壓整流為直流電壓后最多可以為三個(gè)串聯(lián)的LED提供電源，通過(guò)線性穩(wěn)壓器或更高效的開(kāi)關(guān)解決方案控制電流。
不幸的是，一些低成本的電子變壓器只在使用純電阻負(fù)載（如鹵素?zé)簦r(shí)才能正常工作，使用較低的LED 負(fù)載時(shí)可能出現(xiàn)不兼容，而且不能進(jìn)行調(diào)光。
220V 交流電燈泡的替換工作更為復(fù)雜。因?yàn)槠漭斎腚妷汉芨撸€需要遵守危險(xiǎn)物品安全條例。
替換220V交流三端雙向可控硅燈
采用LED 燈需要解決的一個(gè)難題：所需的恒流電源能夠兼容交流調(diào)光器的調(diào)光控制電路。
調(diào)光器是一個(gè)能夠控制負(fù)載交流電壓的電子設(shè)備。壁裝式調(diào)光器通常用于室內(nèi)照明。與“開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)相比，壁裝式調(diào)光器可以提供更柔和的光線和更可控的照明。據(jù)家居控制聯(lián)盟 (HCA) 統(tǒng)計(jì)，在家用照明領(lǐng)域調(diào)光技術(shù)能夠平均節(jié)省 10% 的能耗。
對(duì)燈進(jìn)行調(diào)光是通過(guò)降低燈的功率實(shí)現(xiàn)的。早期的調(diào)光器使用串聯(lián)電阻，但這會(huì)產(chǎn)生大量的熱，并導(dǎo)致能源浪費(fèi)。現(xiàn)在的電子調(diào)光器使用相位調(diào)制控制方案，使用半導(dǎo)體三端雙向可控硅來(lái)切割電源，以便只將交流電源每個(gè)半周期的一部分應(yīng)用到負(fù)載上。對(duì)于其余部分，開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的。給負(fù)載提供的功率數(shù)額因此與交流電源的相位角成正比。這個(gè)簡(jiǎn)單的低成本技術(shù)可以為各類白熾燈進(jìn)行調(diào)光。
LED 燈的調(diào)光方式則有所不同，通常有如下兩種方式：通過(guò)直接改變 LED 電流（模擬亮度控制），或通過(guò)以人眼無(wú)法察覺(jué)的更快速度開(kāi)啟和關(guān)閉 LED 來(lái)間接控制（PWM調(diào)光）。PWM 調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)主要在于可以在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié) LED 亮度，而不影響光線的主波長(zhǎng)，因此可以很好地控制顏色和亮度。通過(guò)給恒流 LED 電源的專用引腳施加方波信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn) PWM 調(diào)光。
不過(guò)，壁裝式交流調(diào)光器上使用的相位調(diào)制控制方案與大多數(shù) LED 燈的調(diào)光方法不兼容。典型的 LED 燈通過(guò)三端雙向可控硅供電，會(huì)發(fā)出可以聽(tīng)見(jiàn)的噪音，產(chǎn)生低頻閃爍光線，而且調(diào)光能力有限。
傳統(tǒng)的三端雙向可控硅調(diào)光器通常被設(shè)計(jì)成連接電阻負(fù)載（鹵素?zé)艋虬谉霟襞荩┑慕涌凇６F(xiàn)在的 LED 驅(qū)動(dòng)器解決方案與標(biāo)準(zhǔn)的壁裝式調(diào)光器相連，要么產(chǎn)生 120 Hz 的 LED 閃爍信號(hào)，要么無(wú)法實(shí)現(xiàn)100:1 的調(diào)光。圖 2 顯示了使用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 LM3445 LED 驅(qū)動(dòng)器的 220V 交流設(shè)計(jì)電路。
圖2 使用LM3445的離線LED驅(qū)動(dòng)器
LM3445 LED 驅(qū)動(dòng)器可直接替換目前連接到三端雙向可控硅調(diào)光器的白熾燈或鹵素?zé)粝到y(tǒng)，無(wú)需再對(duì)其它設(shè)備做任何改變或者犧牲性能。該驅(qū)動(dòng)器能夠解碼三端雙向可控硅切割的波形，然后將其轉(zhuǎn)換為可以對(duì) LED 調(diào)光的信號(hào)，從而可以實(shí)現(xiàn)較寬的全范圍調(diào)光，而且不會(huì)出現(xiàn)閃爍。
此外，使用這款新型三端雙向可控硅可調(diào)光 LED 驅(qū)動(dòng)器時(shí)，工程師可以借助WEBENCH LED 設(shè)計(jì)工具輕松快速地完成設(shè)計(jì)。
WEBENCH LED 設(shè)計(jì)工具
作為Simple Switcher穩(wěn)壓器的電源設(shè)計(jì)工具，WEBENCH在線模擬工具于 2001 年問(wèn)世。近期 WEBENCH具增強(qiáng)了交流離線 LED 設(shè)計(jì)功能，可以支持相關(guān)的白熾燈替換設(shè)計(jì)。
WEBENCH LED在線設(shè)計(jì)遵循的流程與其它WEBENCH設(shè)計(jì)流程相同，只需簡(jiǎn)單的四個(gè)主要步驟即可獲得精心優(yōu)化的設(shè)計(jì)：
- 選擇合適的 LED 以及達(dá)到理想光照條件所需的 LED 數(shù)量
目前市場(chǎng)上有來(lái)自多家廠商的各式 LED。LED 的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括顏色、LED電流、光通量、角度和封裝。
圖3 虛擬旋鈕可以滿足設(shè)計(jì)取舍
- 選擇系統(tǒng)要求：輸入電壓、LED 數(shù)量、最大輸出電流、并聯(lián)和串聯(lián)
交流電源輸入電壓110V~220Vrms，交流電源頻率 50Hz ~60Hz，環(huán)境溫度。
- 綜合平衡各項(xiàng)要求，優(yōu)化物料清單
虛擬旋鈕可以優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率，從而為更高效的設(shè)計(jì)與 PCB 封裝選擇物料清單。
- 工作值、系統(tǒng)性能和電路原理圖
該軟件會(huì)生成完整的設(shè)計(jì)報(bào)告，具有詳細(xì)的性能分析、每個(gè)外部元件的功耗、輸入電流和系統(tǒng)效率。
最后，離線設(shè)計(jì)的完整電路原理圖可以被呈現(xiàn)、修改并與其他設(shè)計(jì)人員共享。
圖4 最終設(shè)計(jì)的工作值報(bào)告，具有詳細(xì)的功耗分析
結(jié)論
LED高效照明系統(tǒng)的改裝解決方案必須滿足現(xiàn)有的建筑條件要求。用LED直接替換白熾燈或鹵素?zé)粝到y(tǒng)時(shí)，需要將其連接到三端雙向可控硅調(diào)光器。改裝方案必須簡(jiǎn)單可行，不能犧牲性能。
