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1、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-11-19 20:26:44 : 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，
2、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(T
3、RIAC)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3.4 V,通常介于2.8 V到4.2 V 之间OLED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
4、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
5、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
6、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8 mA到40 mA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Power Integr
7、ations （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14 W LED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14 W LED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725 V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
8、 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(VOLTAGE MONITOR)引脚上使用4 MQ (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。
9、 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，并且土5%的差异仍可确保一致的LED亮度。5. 结束语这个14 W LED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
10、, 500 mA:0.5 mA)、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
11、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
12、）。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（RX 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RX1或RX10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
13、，黑笔所接为T1极，余下是T2 极。2、性能的差别：将旋钮拨至RX 1挡，对于16A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8 位置，则表明可控硅良好。对于16A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
14、接通A极或T2极时断开G极，指针立即退回8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
15、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
16、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B2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Ibl。BG1又把Ibl(Ib2)放大 了 B 1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
