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。
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2004 年 4 月號 [8] 美國國家半導體，“LM3445.pdf＂， March， 2009
