可控硅调光器的工作原理及应用

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调光器是一种用来改变电光源的光通量、调节照度的照明配件,广泛应用于家庭照明、剧场舞台、酒店客房、场馆展厅等场合。

从原理上讲,所有调光器都是通过改变电光源的输入电流来获得不同强度的光输出,其控制方法包括改变加在负载上的电压幅值和改变电流流经负载的时间两种方式,前者直接改变了电流有效值,而后者是在交流电的半波内控制电流导通的时间及次数来实现的。

1.调光器的分类

调光器有很多种类别,按电源性质可以分为交流调光和直流调光,按控制电路的原理可以分为幅值调光和相位调光,按开关器件的种类可以分为无源调光和有源调光,按光线变化的级别可以分为分段调光和无极调光,按负载类型可以分为对电光源的直接调光和对照明控制器的间接调光等,下面对调光器的分类作综合介绍。

1.1调幅式调光

1.1.1可变电阻器调光

可变电阻器调光是最早出现的调光方法 ,通过在白炽灯照明回路中串接一只大功率可变电阻器,调节可变电阻器就可以改变流过白炽灯的电流值,从而改变灯光亮度。这种调光方式在交直流电源回路中都可使用,并且不会产生无线电干扰,但由于可变电阻的功耗高、发热大,导致系统的效率很低,一般只作为原理演示使用。

1.1.2自耦调压器调光

用一个自耦调压器串接在交流回路中,通过调节电刷的位置来改变供给白炽灯的电压幅值,从而改变灯光亮度。虽然自耦调压器体大笨重,还有工频噪音,但由于系统效率较高,增减负载也不影响调光等级,在早期曾经大量用于舞台调光。

1.1.3二极管分档式调光电路

这个电路由一只三档开关控制,分别作全电压供电、半波供电和关断控制。这里的二极管可以看成是一个工作在导通状态的单向可控硅(SCR),这种调光方式是调幅式调光到相位调光的过渡类型。由于白炽灯半波供压是一个固定电压值,不能任意调节,并且白炽灯在半波电压下会轻微闪烁,所以这种电路的实用性不是很好。

1.2调相式调光

调相式调光是通过调节交流电每个半波的导通角来改变正弦波形,从而改变交流电流的有效值,以此实现调光的目的,也称为“斩波式”调光。调相式调光包括前沿相位控制和后沿相位控制(也称前切和后切)两种类型,工作原理与调幅式调光完全不同。

1.2.1前沿相位控制调光器

前沿调光器具有调节精度高、效率高、体积小、重量轻、容易远距离操纵等优点,在市场上占主导地位,多数厂家的产品都是这种类型调光器。前沿相位控制调光器一般使用可控硅作为开关器件,所以又称为可控硅调光器。

可控硅调光器虽然电路简单、成本低廉,但由于可控硅开关时会产生较强的无线电干扰,若不采取有效的滤波措施,将会妨碍许多电器的使用。另外,可控硅调光器在开通时有一个很陡的前沿,电压波形从零电压突然跳高,这对白炽灯类电阻性负载的影响不大,但却不适合气体放电光源的调光使用。因为多数气体放电光源都需要驱动电路来配合工作,而驱动电路是一种容性负载,可控硅调光器产生的电压跳变会在容性负载上产生很大的浪涌电流,使电路工作不稳定,甚至造成驱动电路烧毁的故障。

1.2.2后沿相位控制调光器

后沿相位控制调光器除了具有可控硅调光器的优点外,一个重要的特性就是能适应气体放电灯的调光需要。随着世界范围内对白炽灯的淘汰不断加快,用户对呈容性阻抗的电子节能灯等光源进行调光的需求开始逐渐增多,而后沿调光器正好适应这种市场变化。后沿相位控制调光器一般使用MOSFET作为开关器件,所以又称为MOSFET调光器。

1.3 PWM调光器

PWM调光器最早用于直流电源中对钨丝灯泡等线性负载调光,它利用一个PWM信号去控制开关器件的导通和截止,通过改变占空比来调节流过灯泡的电流,从而实现调光控制。

1.4 正弦波调光器

正弦波调光器的原理与PWM调光方式有些类似,安装在交流线路中的功率开关受高频信号驱动,功率开关在正弦波的每个半波中都导通多次,且导通时间是可变的。负载两端的工频电压被高频信号切割,改变高频信号的频率就可以调节流过负载的电流,从而实现调光控制。正弦波调光器一般使用IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为开关器件,所以又称为IGBT调光器。

正弦波调光器没有改变正弦波的波形特征,对负载的工作状态影响较小,所产生的谐波干扰也不大,这使它能很好的与非线性负载配合使用。并且可以减少线路损耗及提高效率,降低开关器件的发热量,大大提升电路的适用性和可靠性。

正弦波调光器避免了可控硅调光器的“斩波”缺陷,它没有最低负载功率的限制,能适应白炽灯、节能灯、日光灯镇流器及风扇马达等各种类型的负载,是一种比较理想的调光器产品。但由于IGBT需要特别的驱动和保护技术,导致电路复杂,成本较高,目前只在舞台调光等特殊场合应用,但它仍是今后发展的主要方向。

2. 双向可控硅调光电路分析

目前普遍使用的白炽灯调光器中,双向可控硅的应用最为广泛。这种调光器在交流电的每个半波期间导通和关断一次,在需要降低白炽灯亮度时,可控硅会关断一部分交流电来减小电流,实现调光目的。

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上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。

2.1电路组成

可控硅  可控硅一旦被触发导通后,将持续导通到交流电压过零时才会截止。可控硅承担着流过白炽灯的工作电流,由于白炽灯在冷态时的电阻值非常低,再考虑到交流电压的峰值,为避免开机时的大电流冲击,选用可控硅时要留有较大的电流余量。

触发电路  触发脉冲应该有足够的幅度和宽度才能使可控硅完全导通,为了保证可控硅在各种条件下均能可靠触发,触发电路所送出的触发电压和电流必须大于可控硅的触发电压UGT与触发电流IGT的最小值,并且触发脉冲的最小宽度要持续到阳极电流上升到维持电流(即擎住电流IL)以上,否则可控硅会因为没有完全导通而重新关断。触发脉冲的宽度一般取20~50μs,对于大电感负载,由于电流上升较慢,触发脉冲宽度还应加大,一般取300μs~ 1ms,相当于50Hz正弦波的18°相位角。C2的容量一般可选22nF ~220nF。

在调光器中,实现触发功能的是一只双向触发二极管,一般选用DB3等型号。也有一些调光器产品中用电阻器或氖泡等元器件来代替触发二极管,但实际使用效果并不理想。

保护电阻  R2是保护电阻,用来防止POT1调整到零电阻时,过大的电流造成半导体器件的损坏。R2太大又会造成可调光范围变小,所以应适当选择。

功率调整电阻  R1决定白炽灯可调节到的最小功率,若不接入R1,则在POT1调整到最大值时,白炽灯将完全熄灭,这在家庭应用中会造成一定不便。接入R1后,当POT1调整到最大值时,由于R1的并联分流作用,仍有一定电流给C2充电,实现白炽灯的最小功率可以调节,若将R1换为可变电阻器,则可实现更精确的调节,以确保量产的一致性。同时R1还有改善电位器线性的作用,使灯光变化更适合人眼的感光特性。

电位器  小功率调光器一般都选择带开关的电位器,在调光至最小时可以联动切断电源,这种电位器通常分为推动式(PUSH)和旋转式(ROTARY )两种。对于功率较大的调光器,由于开关触点通过的电流太大,一般将电位器和开关分开安装,以节省材料成本。考虑到调光特性曲线的要求,一般都选择线性电位器,这种电位器的电阻带是均匀分布的,单位长度的阻值相等,其阻值变化与滑动距离或转角成直线关系。

滤波网络  由于被可控硅斩波后的电压不再呈现正弦波形,由此产生大量谐波干扰,严重污染电网系统,所以要采取有效的滤波措施来降低谐波污染。图中L1和C1构成的滤波网络用来消除可控硅工作时产生的这种干扰,以便使产品符合相关的电磁兼容要求,避免对电视机、收音机等设备的影响。

温度保险丝  对于大功率的调光器或用于组群安装的调光器,内部温升比平时要高,在电路中安装一只温度保险,可以在异常温升时切断电路,防止灾害事故的发生。

2.2可控硅的缓冲保护

可控硅在电路中工作时,它的开关状态并不是瞬间完成的。可控硅刚导通时的等效阻抗还很大,这时如果电流上升很快,就会造成很大的开通损耗;同样,在可控硅接近完全关断时也还有较大电流,这时如果可控硅两端的电压迅速上升,也会产生很大的关断损耗。开关损耗会导致可控硅的发热量增加,严重时会造成期间烧毁。采用适当的缓冲措施来抑制电流和电压的上升速率,可以有效改善可控硅的开关工作条件。

缓冲电路有两种形式,一种是利用流过电感的电流不能突变的特性来抑制电流上升率,另一种是利用电容两端的电压不能突变的特性来抑制电压上升率。

可控硅用于大功率调光电路时,由于大电流流过可控硅及灯泡的感性增加,为了确保电路的可靠性,必须在可控硅上并联一个RC缓冲网络,用来限制可控硅关断时其两端的电压上升速率(dv/dt)。其中电容用来限制跨越双向可控硅的dv/dt值,电阻用来限制可控硅导通时电容上的放电电流,并衰减电容和滤波电感之间的阻尼振荡。

在前面所述的滤波网络中,电感L1就是用来抑制可控硅导通时的电流上升率dI/dt,电容C和二极管D组成关断吸收电路,抑制当GTO关断时端电压的上升率dV/dt,其中电阻R为电容C提供了放电通路。缓冲电路有多种形式,以适用于不同的器件和不同的电路。

2.3可控硅调光器的滞后现象

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。

2.4可控硅调光器的最小负载限制

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。由于不同型号的可控硅的最小维持电流并不一致,所以生产厂家都会在产品说明上标示出适用的最小负载功率限制,在使用时必须注意这个问题。

2.5白炽灯的闪烁

我们知道,人眼的瞳孔会随外界亮度的变化而调节大小,以控制进入眼睛的光线强度,但这个调节速度与景物的变化有一个约50~200mS的时间差,目的是用来防止外界亮度快速变化引起的眼部肌肉疲劳,人眼的这个特性称为“视觉暂留”。

白炽灯使用的是交变的50Hz电压,由于交流电的正负半波都会使白炽灯发光,所以白炽灯在1s内要闪烁100次,也就是闪烁周期是10ms,这个时间小于人眼的最小视觉暂留时间,同时由于灯钨发光后的热惰性较大,所以人眼很难感觉到白炽灯的闪烁存在。

2.6调光器的噪声

使用双向可控硅调光器控制白炽灯时,我们经常会感觉到一种轻微的嗡嗡声,这是双向可控硅调光器的固有特点,它产生的原因包括以下两个方面:

2.6.1滤波器震荡

高品质的可控硅调光器必定在输入端加有一个LC滤波器,它的作用是用来吸收可控硅的开关噪音,平滑周期性开关导致的电压波动,防止调光器对外界产生谐波干扰。

LC滤波器中的电感器是用硅钢片或铁粉芯材料制作的,当100Hz的大电流(以50Hz电源为例)流过时,由于磁芯震荡,就会发出嗡嗡声。特别是当灯泡调至最亮时,100Hz的电流呈最大值,调光器发出的嗡嗡声就更加明显,这是不可避免的一个电路特性。

在正常情况下,磁芯发出的噪音是在可接受的范围内,倘若噪音太大,在设计阶段可以通过更换磁芯材质或加大磁芯尺寸来解决这一问题,对于用户来说,更换一个更大功率的调光器通常也能消除这种噪音。

2.6.2灯丝震荡

当灯泡最亮的时候,可控硅在整个电压周期内几乎都是导通的,输出电流也基本是连续的,这个时候灯泡不会嗡嗡响。当灯泡被调暗的时候,可控硅每秒要开关100次(以50Hz电源为例),这种断续电流对灯丝的冲击震荡就产生了嗡嗡的声音。特别是灯泡亮度在50%~60%的时候,可控硅上的电压瞬间就从零跃变到正弦电压的峰值,这个时候灯丝震动最大,嗡嗡声也最响。换用粗丝灯泡或短灯丝灯泡,都可以减小灯丝的振动从而减小嗡嗡声。

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