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每周了解几个硬件知识+调光与功率

工程师
2024-06-25 20:21:04     打赏
以下是对这一话题的详细分析:一、调光对功率的影响

调光方式:不同的调光方式会对功率产生不同的影响。电阻式调光通过改变灯具前面板上的电位器电阻大小从而改变电流大小,达到调光效果,但其功率变化范围相对较小。

而PWM(脉宽调制)调光则通过对调光信号进行高频脉冲宽度的调整,实现对灯具亮度的控制,其功率变化范围更大,调光效果更加精细。

LED灯调光:对于LED灯来说,调整亮度实际上是在改变通过灯泡的电流。由于LED灯的功率与其电流的平方成正比,因此调整亮度后,灯泡的功率也会相应地增加。但需要注意,LED灯的发热量相对较低,且其热管理设计通常能够有效散热,因此即使功率增加,灯泡的温度也不一定会显著升高。

实际上由于调光器在市场广泛存在,特别是北美地区,所以现在有种现象就是为了降低成本,灯具厂家只是保证裸灯(即不带调光器)的EMC性能,但是却不保证接入调光器时的 EMC性能,这是严重脱离实际使用情况的。一个LED球泡灯带调光器和不带调光器的EMI传导测试结果,可以看到,调光器的加人恶化了EMI,所以此产品需要进一步整改方能满足真正的客户使用环境。但我们也意识到,因为调光器种类繁多,要保证所有调光器组合时均能符合要求,这样成本和周期都变得不可接受,所以企业从品质角度上来讲,能做的就是尽量去满足多种不同应用下的调光器要求。

二、功率变化的影响能量消耗:功率越大,单位时间内消耗的能量越多。在用电设备中,功率越大的设备消耗的电能越多。负载能力:功率越大的设备或系统,能够承受的最大负载越大。例如,在电力系统中,功率越大的变压器能够承载更大的电流和电压。发热量:功率越大的设备,在工作过程中产生的热量越多。这可能导致设备的过热和保护装置启动,或者对周围环境产生热影响。然而,对于LED灯来说,由于其发热量相对较低且散热设计良好,因此功率增加不一定会导致显著的温度升高。

效率和噪音:功率越大的设备,其能量转换和利用的效率可能越低,同时产生的噪音也可能越大。这是因为高功率的设备需要更高的速度和应力,从而产生更多的噪音。


LED 球泡灯带调光器测试 EMI 的结果:

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LED 球泡灯不带调光器测试 EMI的结果:

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当照明设备含有一个调光控制器或可由外部装置进行调光时,进行骚扰电压测量时,需根据调光控制器的类型采用不同的测量方法。直接改变电源电压的调光控制器对于直接改变电源电压以实现调光功能的调光控制器(调光器),应在电源端、负载端和控制端(存在)测量骚扰电压。测量时,应按照相关标准或规范,确保在调光过程中覆盖所有可能的调光级别,并特别关注最大和最小调光级别时的骚扰电压。 通过镇流器或转换器调节光输出的调光控制器对于通过镇流器或转换器调节光输出来实现调光功能的调光控制器,应在电源端和控制端测量骚扰电压。测量时,应在最大光输出和最小光输出两个状态下进行,以评估调光过程中骚扰电压的变化情况。 调光控制器的辐射电磁骚扰测量方法当照明设备含有一个内装的调光控制器或可由外部装置控制调光时,对于辐射电磁骚扰的测量,应特别关注通过镇流器或转换器调节光输出的调光控制器。这类调光控制器的辐射电磁骚扰应在最大光输出和最小光输出两个状态下进行测量。

测量时,应确保设备处于正常工作状态,并尽可能模拟实际使用中的调光情况。辐射电磁骚扰的测量应遵循相关标准或规范,使用合适的测量设备和测量方法,以确保测量结果的准确性和可靠性。


下面开始讲几个示例:

LM3421 LED驱动器控制器中的调光功能,特别是关于如何使用其nDIM引脚来实现PWM调光。

LM3421是一款高度集成的LED驱动器控制器,它提供了多种调光选项以满足不同的应用需求。

1. DDIM (通过肖特基二极管的反相PWM脉冲串)这种方法通常涉及使用一个肖特基二极管来接收PWM信号。PWM信号的上升和下降边缘通过肖特基二极管进行反相,然后输入到LM3421的nDIM引脚。这种方法可能适用于某些不需要特别高PWM频率或对比度要求的应用。2. QDIM (通过调光MOSFET的标准PWM信号)在这种方法中,PWM信号直接通过一个调光MOSFET连接到LM3421的nDIM引脚。这种设置允许更高的PWM频率和更好的对比度,因为MOSFET的开关速度通常比肖特基二极管更快。高PWM频率对于需要快速响应和精确控制的LED调光应用特别有用。压摆率(Slew Rate)是电压或电流变化的速率。在LED驱动器控制器中,压摆率加速可以更快地响应PWM信号的变化,从而提供更平滑的亮度过渡。 LM3421的PWM调光选项可能展示了这两种调光方法的电路图或示意图。通过查看这个图,可以更直观地了解如何将PWM信号连接到nDIM引脚,以及如何通过选择不同的元件(肖特基二极管或MOSFET)来优化调光性能。

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 LM3421 LED 驱动器控制器的 PWM 调光技术,使用肖特基二极管,或为需要更高 PWM 频率的应用使用 MOSFET。

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下图是一个典型的双向可控硅调光器电路,电位器POT1和电阻R1、R2 与电容C2构成移相触发网络,当C2的端电压上升到双向触发二极管D1的阻断电压时,D1击穿,双向可控硅TRIAC被触发导通,灯泡点亮。调节POT1可改变C2的充电时间常数,TRAIC的电压导通角随之改变,也就改变了流过灯泡的电流,结果使得白炽灯的亮度随着POT1的调节而变化。POT1上的联动开关SW1在亮度调到最暗时可以关断输入电源,实现调光器的开关控制。

调光器电路主要由以下几个部分组成:可控硅(SCR):作为电路的核心部件,可控硅负责控制电流的通断,实现对白炽灯等负载的亮度调节。由于白炽灯在冷态时电阻值低,需选用能承受大电流冲击的可控硅。触发电路:确保可控硅能够可靠触发导通。触发脉冲需有足够的幅度和宽度,通常使用双向触发二极管(如DB3)产生。对于大电感负载,触发脉冲宽度需加大。保护电阻(R2):防止电位器(POT1)调整至零电阻时,电流过大损坏半导体器件。同时,R2的阻值也影响可调光范围。功率调整电阻(R1):用于设定白炽灯可调节到的最小功率,保证在电位器调至最大时,白炽灯不会完全熄灭。R1也可改善电位器的线性特性。电位器(POT1):用于调节亮度,一般选择线性电位器。小功率调光器常选用带开关的电位器,而大功率调光器则将电位器和开关分开安装。滤波网络(L1和C1):用于消除可控硅工作时产生的谐波干扰,保护电网系统,避免对其他设备造成影响。温度保险丝:对于大功率或组群安装的调光器,安装温度保险丝可以在异常温升时切断电路,防止事故发生。


问题点:

普通的可控硅调光电路存在开机功率和关机功率不一致的现象,即将电位器调到最大值500K时,白炽灯几乎熄灭。重新将电位器调小,只有在调到400K以下时,白炽灯才会发光,这种电位器调至最小角度时的功率比开机时同一位置的功率要大的现象,就是普通调光器的滞后效应。滞后效应产生的原因是每次触发可控硅时,充电电容被部分放电引起的。在触发二极管上串入一个小电阻可以减轻这种现象,更有效的方法是采用上图的电路,用C2去触发可控硅,由于R3的隔离作用,C2上的电压下降很少,而C3上的电压不变,避免了滞后效应的出现。

使用可控硅调光器时,当负载小于一定功率时,灯泡就会出现闪烁现象,这是由于可控硅的最小维持电流不足所引起的高品质可控硅调光器使用LC滤波器吸收开关噪音,平滑电压波动,防止谐波干扰。LC滤波器中的电感器在大电流下可能产生嗡嗡声,尤其在灯泡最亮时更明显。噪音大小可通过更换磁芯材质或加大尺寸来降低。正常情况下,噪音在可接受范围内,若噪音过大,设计阶段可优化磁芯选择,用户也可考虑更换更大功率的调光器来减少噪音。


LM3404调光电路的设计主要依赖于其PWM(脉冲宽度调制)调光功能。LM3404概述产品介绍:LM3404是美国国家半导体公司推出的单片降压型(BUCK)高亮度LED恒流驱动IC,适用于汽车电子系统、工业系统及一般照明系统内置的新一代大功率高亮度发光二极管组件。输入电压范围:LM3404适应6V—42V的输入电压范围,而LM3404HV可耐受更高的输入电压,范围为6V一75V。主要特点:包含高侧N通道MOSFET开关,具有1.5A(典型值)的电流限制。支持PWM调光和低功耗关闭分离,无需控制环路补偿,具备热关断保护。调光电路设计1. 引脚功能DIM引脚:这是LM3404的PWM调光输入引脚。通过输入不同占空比的PWM信号,可调整输出的平均功率,从而控制LED的亮度。逻辑电平:逻辑低电平为0.8V,一旦DIM脚的电压低于这个电平,就会关闭LM3404的输出。逻辑高电平门限为2.2V。悬空状态:如果DIM脚悬空,内部可以提供75uA的电流确保LM3404正常工作,此时默认为100%电流输出。其他关键引脚:SW:开关引脚,连接到输出电感器和肖特基二极管。BOOT:MOSFET驱动自举引脚。GND:地引脚。CS:电流感应反馈引脚,用于设置恒流值。RON:导通时间控制引脚,可影响开关频率。VCC:内部7V线性调节器的输出。

VIN:输入电压引脚。

标准电路:

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采用PWM调光的LED驱动器及波形:

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当利用分路场效应晶体管(FET)进行调光时,确实可能会导致输出电压出现较为急剧的移位。这种移位可能会对LED或其他负载的稳定工作产生不利影响,因此集成电路的控制回路需要迅速作出响应,以维持输出电流的稳定。以下是关于此过程的一些关键点归纳:分路FET调光的影响:当使用FET进行调光时,通过改变FET的导通程度(即改变其栅极电压),可以控制流过LED的电流,从而实现调光效果。然而,这种调光方式可能会导致输出电压的急剧变化,因为FET的电阻会随着其导通程度的变化而变化,从而影响输出电压。控制回路的响应:为了应对输出电压的急剧变化,集成电路的控制回路需要迅速作出反应。控制回路的响应速度对于维持输出电流的稳定至关重要。较快的响应速度意味着系统能够更快地调整FET的导通程度,以抵消输出电压的变化。磁滞控制的降压稳压器:磁滞控制的降压稳压器在应对这种急剧变化时具有优势。磁滞控制的方法能够消除因固定频率操作而导致的动态响应限制,从而提供更快的响应速度和更好的稳定性。在使用FET进行调光的电路中,采用磁滞控制的降压稳压器可以帮助控制回路更有效地维持输出电流的稳定。数字与模拟控制:逻辑接脚调光通常涉及数字信号控制,而FET的栅极电压控制则更偏向于模拟控制。在实际应用中,可以结合数字和模拟控制策略,以实现更精确、更稳定的调光效果。

分路FET电路:

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分路FET电路和其波形:

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总结:

调光控制器通过调节电流或电压来控制灯光亮度。调光器的工作原理基于脉宽调制、频率调制等技术,改变脉冲的宽度或频率即可调节灯光亮度,进而影响功率消耗。LED调光器在调光时,瓦数会因调光比的不同而有所变化,调光比越高,调光后灯的瓦数越少。0-10V调光器通过改变0-10V电压输出来控制灯光亮度,同样影响功率。所以要根据不同的应用场所选择不同的电路进行调节,调光无非就是调节电压电流,来实现对工作的要地注。



院士
2024-06-26 06:43:48     打赏
2楼

谢谢楼主的分享~!


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