可控硅的基本工作原理及在调光器中的使用.docx
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可控硅的基本工作原理及在调光器中的使用
可控硅的基本工作原理及在调光器中的使用
LED可控硅调光原理及问题
时间：
xx-11-1920:
26:
44：
作者：
1.前言
如今，LED照明已成为一项主流技术。
LED手电筒、交通信号灯和车灯比比皆是，各个国家正在推动用LED灯替换以主电源供电的住宅、商业和工业应用中的白炽灯和荧光灯。
换用高能效LED照明后，实现的能源节省量将会非常惊人。
仅在中国，据政府*估计，如果三分之一的照明市场转向LED产品，他们每年将会节省1亿度的用电量，并可减少2900万吨的二氧化碳排放量。
然而，仍有一个障碍有待克服，那就是调光问题。
白炽灯使用简单、低成本的前沿可控硅调光器就可以很容易地实现调光。
因此，这种调光器随处可见。
固态照明替换灯要想真正获得成功的话，就必须能够使用现有的控制器和线路实现调光。
白炽灯泡就非常适合进行调光。
具有讽刺意味的是，正是它们的低效率和随之产生的高输入电流，才是调光器工作良好的主要因素。
白炽灯泡中灯丝的热惯性还有助于掩盖调光器所产生的任何不稳定或振荡。
在尝试对LED灯进行调光的过程中遇到了大量问题，常常会导致闪烁和其他意想不到的情况。
要想弄清原因，首先有必要了解可控硅调光器的工作原理、LED灯技术以及它们之间的相互关系。
2.可控硅调光的原理
图1所示为典型的前沿可控硅调光器，以及它所产生的电压和电流波形。
图1前沿可控硅调光器
电位计R2调整可控硅（TRIAC）的相位角，当VC2超过DIAC的击穿电压时，可控硅会在每个AC电压前沿导通。
当可控硅电流降到其维持电流（IH）以下时，可控硅关断，且必须等到C2在下个半周期重新充电后才能再次导通。
灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0度（接近0度）到180度之间。
3.LED调光存在的问题
用于替换标准白炽灯的LED灯通常包含一个LED阵列，确保提供均匀的光照。
这些LED以串联方式连接在一起。
每个LED的亮度由其电流决定，LED的正向电压降约为3.4V，通常介于2.8V到4.2V之间。
LED灯串应当由恒流电源提供驱动，必须对电流进行严格控制，以确保相邻LED灯之间具有高匹配度。
LED灯要想实现可调光，其电源必须能够分析可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的恒流进行单向调整。
在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。
问题可以表现为启动速度慢，闪烁、光照不均匀，或在调整光亮度时出现闪烁。
此外，还存在元件间不一致以及LED灯发出不需要的音频噪声等问题。
这些负面情况通常是由误触发或过早关断可控硅以及LED电流控制不当等因素共同造成的。
误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。
图2以图表形式对该影响进行了说明。
图2发生在LED灯电源输入级的可控硅电流与电压振荡
可控硅导通时，AC市电电压几乎同时施加到LED灯电源的LC输入滤波器。
施加到电感的电压阶跃会导致振荡。
如果调光器电流在振荡期间低于可控硅电流，可控硅将停止导电。
可控硅触发电路充电，然后重新导通调光器。
这种不规则的多次可控硅重启动，可使LED灯产生不需要的音频噪声和闪烁。
更为简单的EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。
要想实现成功调光，输入EMI滤波器电感和电容还必须尽可能地小。
振荡的最差条件表现为90度相位角（这时，输入电压达到正弦波峰值，突然施加到LED灯的输入端），并且为高输入电压（这时，调光器的正向电流达到最低水平）。
当需要深度调光（比如相位角接近180度）且为低输入电压时，则会发生过早关断。
要可靠地调低光度，可控硅必须单调导通，并停留在AC电压几乎降至零伏的点上。
对于可控硅来说，维持导通所需的维持电流通常介于8mA到40mA之间。
白炽灯比较容易维持这种电流大小，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，该电流可降低到可控硅维持电流以下，导致可控硅过早关断。
这样就会造成闪烁和/或限制可调光范围。
在设计LED照明电源时还有许多其他问题构成挑战。
能源之星固态照明规范要求商业和工业应用的最小功率因数必须达到0.9，照明产品必须满足效率、输出电流容差和EMI的严格要求，并且电源还必须在LED负载发生短路或开路的情况下作出安全响应。
4.LED调光实用
PowerIntegrations（PI）最近所取得的技术进展为如何解决LED驱动和可控硅的兼容性问题提供了参考范例。
图3是PI开发的可控硅调光的14WLED驱动器的电路图。
图3隔离式可控硅调光的高功率因数通用输入14WLED驱动器的电路图
本设计采用了LinkSwitch-PH系列器件LNK406EG（U1）。
LinkSwitch-PH系列LED驱动器IC同时集成了一个725V功率MOSFET和一个连续导通模式初级侧PWM控制器。
控制器可实现单级主动功率因数校正（PFC）和恒流输出。
LinkSwitch-PH系列器件所采用的初级侧控制技术可提供高精度恒流控制（性能远优于传统的初级侧控制技术），省去了隔离反激式电源中常用的光耦器和辅助电路（即次级侧控制电路），同时控制器中的PFC部分还省去了大容量电解电容。
LinkSwitch-PH系列器件可设置为调光或非调光模式。
对于可控硅相位调光应用，可在参考（REFERENCE）引脚上使用编程电阻（R4）和在电压监测（VOLTAGEMONITOR）引脚上使用4MΩ（R2+R3）电阻，使输入电压和输出电流之间保持线性关系，从而扩大调光范围。
连续导通模式具有两大优势：
降低导通损耗（从而提高效率）和降低EMI特征。
EMI特征降低后，使用较小的输入EMI滤波器即可满足EMI标准。
可省去一个X电容，并省去共模扼流圈或减小其尺寸。
LinkSwitch-PH器件中内置的高压功率MOSFET开关频率抖动功能还可进一步降低滤波要求。
输入EMI滤波器尺寸减小意味着驱动电路的电阻性阻抗随之减小，其重要好处就是能大幅降低输入电流振荡。
由于LinkSwitch-PH由其内部参考电源供电，因此可进一步增强稳定性。
对于可调光应用，增加主动衰减电路和泄放电路可确保LED灯在极宽的调光范围内稳定工作，且无任何闪烁。
恒流控制允许有±25%的电压摆幅，这样就无需根据正向电压降对LED进行编码，并且±5%的差异仍可确保一致的LED亮度。
5.结束语
这个14WLED设计实现了与标准前沿可控硅AC调光器兼容、极宽调光范围（1000:
1，500mA:
0.5mA）、高效率（>85%）和高功率因数（>0.9）的目标。
它说明与LED灯可控硅调光相关的问题是可以克服的，甚至可以简化驱动器设计，使可调光LED灯更具成本效益，且达到一致和可靠的性能。
可控硅是把交流电转换为大小可以调节的直流的无触点的开关,广泛运用于电力切换领域，普通可控硅因为无触点,噪音低,无火花,安全耐用,常用在电机调速,灯光调光领域.
鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。
阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。
控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。
可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并__明控制极特性不好。
另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反向击穿。
若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。
可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种，都是三个电极。
单向可控硅有阴极（K）、阳极（A）、控制极（G）。
双向可控硅等效于两只单项可控硅反向并联而成。
即其中一只单向硅阳极与另一只阴极相边连，其引出端称T2极，其中一只单向硅阴极与另一只阳极相连，其引出端称T2极，剩下则为控制极（G）。
1、单、双向可控硅的判别：
先任测两个极，若正、反测指针均不动（R×1挡），可能是A、K或G、A极（对单向可控硅）也可能是T2、T1或T2、G极（对双向可控硅）。
若其中有一次测量指示为几十至几百欧，则必为单向可控硅。
且红笔所接为K极，黑笔接的为G极，剩下即为A极。
若正、反向测批示均为几十至几百欧，则必为双向可控硅。
再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测，其中必有一次阻值稍大，则稍大的一次红笔接的为G极，黑笔所接为T1极，余下是T2极。
2、性能的差别：
将旋钮拨至R×1挡，对于1~6A单向可控硅，红笔接K极，黑笔同时接通G、A极，在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极，指针应指示几十欧至一百欧，此时可控硅已被触发，且触发电压低（或触发电流小）。
然后瞬时断开A极再接通，指针应退回∞位置，则表明可控硅良好。
对于1~6A双向可控硅，红笔接T1极，黑笔同时接G、T2极，在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极，指针应指示为几十至一百多欧（视可控硅电流大小、厂家不同而异）。
然后将两笔对调，重复上述步骤测一次，指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧，则表明可控硅良好，且触发电压（或电流）小。
若保持接通A极或T2极时断开G极，指针立即退回∞位置，则说明可控硅触发电流太大或损坏。
可按图2方法进一步测量，对于单向可控硅，闭合开关K，灯应发亮，断开K灯仍不息灭，否则说明可控硅损坏。
对于双向可控硅，闭合开关K，灯应发亮，断开K，灯应不息灭。
然后将电池反接，重复上述步骤，均应是同一结果，才说明是好的。
否则说明该器件已损坏.
可控硅的基本工作原理及在调光器中的使用
可控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，一般由两晶闸管反向连接而成。
它的功能不仅是整流，还可以用作无触点开关的快速接通或切断；实现将直流电变成交流电的逆变；将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
目前可控硅在自动控制、机电应用、工业电气及家电等方面都有广泛的应用。
可控硅从外形上区分主要有螺旋式、平板式和平底式三种。
螺旋式应用较多。
可控硅有三个极----阳极（A）、阴极（C）和控制极（G），管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN结，与只有一个PN结的硅整流二极管在结构上迥然不同。
可控硅的四层结构和控制极的引入，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础。
可控硅应用时，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。
目前已能制造出电流容量达几百安培以至上千安培的可控硅元件。
一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。
我们可以把从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三、四层组成另一只PNP型晶体管。
其中第二、第三层为两管交迭共用。
可画出图1的等效电路图。
当在阳极和阴极之间加上一个正向电压E，又在控制极G和阴极C之间（相当BG2的基一射间）输入一个正的触发信号，BG2将产生基极电流Ib2，经放大，BG2将有一个放大了β2倍的集电极电流IC2。
因为BG2集电极与BG1基极相连，IC2又是BG1的基极电流Ib1。
BG1又把Ib1（Ib2）放大了β1的集电极电流IC1送回BG2的基极放大。
如此循环
如图2是一个电视机常用的过压保护电路，当E+电压过高时A点电压也变高，当它高于稳压管DZ的稳压值时DZ道通，可控硅D受触发而道通将E+短路，使保险丝RJ熔断，从而起到过压保护的作用。
2、相位触发电路：
相位触发电路实际上是交流触发电路的一种，如图3，这个电路的方法是利用RC回路控制触发信号的相位。
当R值较少时，RC时间常数较少，触发信号的相移A1较少，因此负载获得较大的电功率；当R值较大时，RC时间常数较大，触发信号的相移A2较大，因此负载获得较少的电功率。
这个典型的电功率无级调整电路在日常生活中有很多电气产品中都应用它。
可控硅主要参数有：
1、额定通态平均电流
在一定条件下，阳极---阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。
2、正向阻断峰值电压
在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导能电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。
可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。
3、反向阴断峰值电压
当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。
使用时，不能超过手册给出的这个参数值。
4、控制极触发电流
在规定的环境温度下，阳极---阴极间加一定电压，使可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。
5、维持电流
在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。
采用可控硅技术对照明系统进行控制具有:
电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，采用电子元件，相对来说体积小、重量轻、成本低。
但该调压方式存在一致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿电路中。
（现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数在一般在0.5以下，所以都设计用电容补偿功率因数）在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，北京、上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。
采用可控硅技术对照明系统进行照度控制时,可通过加装滤波设备来有效降低谐波污染。
近年来，许多新型可控硅元件相继问世，如适于高频应用的快速可控硅，可以用正或负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅，可以用正触发信号使其导通，用负触发信号使其关断的可控硅等等。
应用介绍------可控硅在调光器中的应用：
可控硅调光器是目前舞台照明、环境照明领域的主流设备。
在照明系统中使用的各种调光器实质上就是一个交流调压器，老式的变压器和变阻器调光是采用调节电压或电流的幅度来实现的，如下图所示。
u1是未经调压的220V交流电的波形，经调压后的电压波形为u2，由于其幅度小于u1，使灯光变暗。
在这种调光模式中，虽然改变了正弦交流电的幅值，但并未改变其正弦波形的本质。
与变压器、电阻器相比，可控硅调光器有着完全不同的调光机理，它是采用相位控制方法来实现调压或调光的。
对于普通反向阻断型可控硅，其闸流特性表现为当可控硅加上正向阳极电压的同时又加上适当的正向控制电压时，可控硅就导通；这一导通即使在撤去门极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或阳极电流小于可控硅自身的维持电流后才关
目前的调光方式主要有三种，分别是：
模拟调光方式，PWM调光及可控硅调光。
利用可控硅调光对LED替代灯调光，现有的调光器电路可以不作变动，故此调光方式普遍看好，于是出现了适合于可控硅调光的AC-DC控制芯片。
英飞凌公司推出的ICL8002GLED驱动芯片可支持可控硅调光，并具有单级PFC和初级测控制功能。
可控硅调光的原理
电位器RV2调整可控硅（TRIAC）的相位角，当VC3超过DIAC的击穿电压时，可控硅会导通。
当可控硅电流降到其维持电流（Iholding）以下时（如下图2），可控硅关断，且必须等到C3在下个半周期重新充电后才能再次导通。
灯泡灯丝中的电压和电流与调光信号的相位角密切相关，相位角的变化范围介于0度（接近0度）到180度之间（取决于调光器）。
LED调光存在的问题
LED灯要想实现可调光，其电源必须能够检测可控硅控制器的可变相位角输出，以便对流向LED的电流进行调整。
在维持调光器正常工作的同时做到这一点非常困难，往往会导致性能不佳。
问题可以表现为闪烁及音讯噪声等问题。
这些不良现象通常是由误触发或过早关断可控硅等因素造成的。
误触发的根本原因是在可控硅导通时出现了电流振荡。
图3以图表形式对该影响进行了说明。
可控硅导通时，AC市电电压几乎瞬间施加到LED灯电源的LC输入滤波器。
施加到电感的电压阶跃会导致振荡。
如果调光器电流在振荡期间低于可控硅维持电流，可控硅将停止导通。
可控硅触发电路充电，然后再次导通可控硅。
这种不规则的多次可控硅重启动（如图3），可使LED驱动产生音讯噪声或LED闪烁。
设计更为简单的EMI滤波器有助于降低此类不必要的振荡。
要想实现出色的调光功能，输入EMI滤波器电感和电容须尽可能地小。
对于可控硅来说，维持导通所需的维持电流通常介于8mA到75mA之间。
白炽灯比较容易维持这种电流大小，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，该电流可降低到可控硅维持电流以下，导致可控硅过早关断。
这样就会造成闪烁或限制可调光范围。
轻微闪烁问题
由于DIAC的特性描述了正反击穿电压存在误差，击穿电压不对称会引起可控硅的正半周和负半周的导通角不一样（见图4A），在低成本的调光器中尤其明显，输出电流也会跟随输入变化（如图4b），引起LED灯忽亮忽暗，尤其在低输出时明显。
英飞凌实用LED驱动调光解决方案
基于以上问题，英飞凌推出一种专为高效离线式LED调光驱动应用设计的准谐振PWM控制器--ICL8002G，可用作反激式变换器或降压转换器的设计与应用。
其准谐振工作模式、初级侧控制、集成式PFC和切相调光控制、各种保护功能使其成为适用于可调光的LED球泡灯出色的系统解决方案。
与ICL8001G相比，新的ICL8002G在调旋光性能和输出电流稳定性方面有巨大改进。
可以通过增加阻尼电路和泄放电路使它与基于TRIAC的切相调光器的兼容性得以改善，并通过额外的线性调整电路使输出电流在很宽的输入电压范围内保持稳定。
基于TRIAC的调光器的兼容性
基于TRIAC的调光器可以完美用于白炽灯等阻性负载。
当它们用于开关式LED驱动器等非线性负载时，可能产生闪烁问题，这主要是因维持电流不足（LED整个灯具所消耗电流小于可控硅的维持电流）以及电流振荡--尤其是在TRIAC导通期间造成的。
因此，为了提高与基于TRIAC的调光器的兼容性，通常在LED驱动器中增加泄放电路和阻尼电路。
此设计中包含的被动式泄放电路（由C1，C2，R4，R5组成）可以使输入电流大于TRIAC的维持电流阈值之上。
R1、R2这两个电阻器被用于抑制振荡及减小浪涌电流。
轻微闪烁解决方法及实验数据
电路A由R6、R7、R8、C4、Q2、ZD1组成的电路网络专为深度调光及改善忽亮忽暗（轻微闪烁），其中ZD1是一个保护二极管防止Q2的Vbe过压击穿，R6、R7、R8组成了一个分压检测器，由于C4的容量较大，因此C4端是一个平滑电压。
在输出电流较小时且未增加上述电路的C5电压波形（两个相邻半波输入不对称）。
若增加此电路后，当C4端的电压如下图红线的电压时，C5的电压会通过Q2被箝位得到一个较为均匀的电压如图6B所示，同时由于VR端电压的高低决定输出电流大小，不均匀的VR端电压会导致LED闪烁，相反较为均匀的VR端电压将会改善输出LED的轻微闪烁。
C5的电压通过Q2跟随C4端电压的变化而变化，若在低导通角时C5端的电压会通过Q2跟随C4端电压降到更低的电压以达到减小输出电流从而增加调光范围实现深度调光。
保护功能
输出开路保护
在运行期间，如果输出端为开路状态，输出电压会升高，于是MOSFET关断时VCC绕组产生的电压也会升高。
ICL8002G的引脚ZCV通过R15和R16检测VCC绕组电压，ZCV电压一达到OVP阈值（Vzcovp=3.7V）就会触发输出过压保护，IC将进入锁存关断模式。
另一方面，VCC绕组产生的电压将为V供电，如果V达到阈值（Vvovp=25V），则会触发V过压保护。
在此演示板设计中，当输出端处于开路状态时，ZCV脚电压将会达到OVP阈值且被触发，IC也将进入锁存关断模式。
锁存关断模式下的功耗小于0.5W.
输出短路保护
如果输出端短路，IC将通过VCC欠压保护方式切换至自动重启模式。
此模式下的总输入功耗会保持在低于1W水平
内容仅供参考
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