如何对白炽灯进行基于TRIAC的调光

在20世纪60年代和70年代推出的TRIAC半导体器件解决了交流供电白炽灯泡调光的问题。在此之前，白炽灯通常通过基本的变阻器调暗，这是一种可变电阻器，它可以简单地降低灯泡的交流电压。虽然这确实使灯泡变暗，但由于两个原因，这不是一个好的解决方案：首先，变阻器浪费了相当大的功率（功率成本，相关的散热是大问题），以及令人愉悦的太阳般的“白灯“灯丝输出的颜色（色温为2，700至3，300 K）变为令人不快的淡黄色调，因为电压降低且灯泡变暗。

TRIAC（交流电三极管）可以传导安培电流当它被栅极上的毫安级信号触发（导通）时，在任一方向上。作为调光器的核心，它非常高效，可以放在标准的插座盒中。为了调暗白炽灯泡，基于TRIAC的电路控制传导开始的交流线路相位点。调光电路的设计使得开启可以在周期的任何地方开始，具体取决于使用设置，但始终包括周期的过零点;它是通过脉冲宽度调制（PWM）控制的控制版本。因此，灯丝看到电压脉冲，因此达到完全白炽，但不到全时。由于灯丝的热时间常数，灯泡集成了所施加的功率，从而在感知亮度变暗时保持所需的色温。

调光LED

LED是一种与白炽灯丝截然不同的负载。首先，它需要由电流源（通常为20至60 mA）而不是电压源驱动。虽然这本身并不困难，但确实需要不同的供应设计。第二个也是更困难的是，LED是类似二极管的高度非线性负载，甚至比简单的无功（电容或电感）负载更复杂。

调低LED的明显方法是减少其驱动（这里是电流而不是电压）;与白炽灯一样，这不能很好地工作，因为LED的色纯度和效率会随着电流的降低而降低。更好的选择是使用PWM并调整全电流占空比以实现所需的调光。这是一种保持LED性能的有效方法，用于“捕获”LED设计，例如背光，显示器，标牌和指示器。

LED满足TRIAC

用于白炽灯泡的基于TRIAC的调光器安装在数百万个AC灯开关控制盒中。即使它们在施工时没有安装，如果需要也可以很容易地作为改造添加;他们的零售价约为10美元，除了用调光器单元更换开/关开关外，没有任何布线变化。但是，随着消费者在现有的调光器电路中切换到LED（和CFL）灯，有问题：TRIAC调光器的输出与LED灯内的驱动电路不兼容。它不仅不会使LED灯正常调暗，还会导致LED灯的整体性能受损（消费者买的是灯 - 它是灯泡，驱动电路，外壳和底座的完整组合）。消费者希望将新的节能型LED灯安装到现有的插座中，该插座可能位于可调光电路上，并且使其与以前的白炽灯一样工作和调光。 （请注意，调光器和驱动CFL（紧凑型荧光灯）也存在相应的问题，但这是另一个故事。）

调光和交流接线

问题超出了基于TRIAC的驱动器/调光器的不兼容性以及基于LED的灯的需求。安装灯支路电路的交流配线的各种方式也可以减少调光范围，灯的闪烁或颤动，以及不一致的性能。

原因是大多数现有的住宅布线到灯电路使用双线在开关盒处没有中性线的照明控制（源AC有三根电线：热线，中性线和地线）;带有中性线的电路分支称为三线照明控制。这两个分支在调光器电路如何供电以及调光器如何与线电压同步方面的性能存在显着差异。

这些差异通常不是白炽灯负载的问题，但稳定的调光和控制更复杂用于LED负载。 TRIAC调光器需要将其开关点与AC线同步才能正常工作。如果他们无法感知交流线过零点，他们将失去控制和调暗灯负载的能力。

更详细地看布线，三线安装（图2）有线侧热，负载 - 侧面热，电线盒中的中性线。线路来自交流电源，为调光器和负载供电。负载线连接到灯负载，以提供传递到负载的功率的返回路径。即使负载断开或处于不吸收任何电流的状态，中性连接也为调光器提供必要的返回路径。它不仅可以确保调光器即使在负载断开或关闭时也能够驱动其自身的内部电路，它还可以提供输入交流电源的干净信号，以检测过零点并与线路同步。这样可以实现稳定，可靠的相位控制调光。

图2：灯负载的三线分支电路包括中性线，而双线电路没有该线;它的缺失导致LED的调光器操作不稳定，但不适用于白炽灯。

在双线安装中，只有线路和负载热线，没有中性连接，调光器串联在线路和负载之间。因此，调光器必须依靠通过负载的“涓流”电流为其自身的内部电路供电，以及检测零交叉以与AC线同步。

当负载是白炽灯时灯，即使在显然“关闭”时，通过灯丝电阻仍然有很小但足够的涓流负载电流，因此更容易与线路周期同步并为调光器的内部电路提供足够的功率。然而，对于LED灯，负载电流小得多并且更不规则，并且线路同步变得困难。此外，LED灯处于其关闭状态时的负载电流可以非常小，因此即使获得几毫安来为内部调光器电路供电也是一个问题。供电和稳定线路同步的缺点通常会导致灯闪烁。

由于这个问题和相关问题，美国国家电气规范（NEC）在2011年增加了对所有开关盒中性线的要求。然而，绝大多数现有的家庭安装是没有中性线的双线系统，因此LED的调光电路必须在两线和三线情况下正常运行。

LED驱动IC解决问题

供应商两者都认识到情况的复杂性，并且可以内置到IC中的复杂功能可以解决可调光LED灯的问题。 Cirrus Logic的CS1610系列四个IC就是一个例子（它们外部相似，但设计用于120 VAC，230 VAC和不同的额定负载）。使用这些IC构建的LED灯可以在现有的TRIAC电路中提供宽范围的无闪烁调光，并且当连接到在AC正弦波的前沿上变暗的电路时以及在后缘上变暗的电路时是兼容的。 ;这些灯也可以在没有调光功能的电路中工作（图3）。

图3：Cirrus Logic CS1610系列中的IC设计用于内置于LED灯，AC电源作为输入，LED作为负载，并提供与基于TRIAC的调光电路的“斩波AC”波形的完全操作和调光兼容性。

CS1610（例如CS1610-FSZ）和CS1611设计用于控制LED灯中的准谐振反激式拓扑电源，而CS1612/13则用于控制降压 - 拓扑供应。所有四个都使用临界导通模式（CRM）升压转换器来维持所需的输出电流，并提供功率因数校正器（PFC），这是驱动非电阻负载时的另一个问题（图4）。他们使用复杂的自适应算法和数字处理引擎来检测线路和负载情况，然后控制升压级，以确保调光器兼容操作。

图4：CS1610的内部框图显示了IC内所需的复杂程度，包括数字引擎内核，可充当两个不兼容的电源波形和相关负载之间的无缝桥接。

总结

虽然使用脉冲宽度调制（PWM）调节发光二极管（LED）以调节LED接收的总电流相对容易，但设计的LED变暗要困难得多与标准白炽灯泡兼容的直接替代品。无处不在的基于TRIAC的调光电路，与过零点相交地“调节”交流线电压以提供调光，与LED的调光驱动要求不相容。幸运的是，已经开发出允许这些替换灯泡中的LED即使连接到基于TRIAC的白炽灯电路也能正常调光。本文介绍了如何对白炽灯进行基于TRIAC的调光，检查了LED调光的要求，讨论了由于调光电路引起的问题（不稳定的操作，闪烁和不良的调光性能），并阐明了标准AC线的变化灯分支电路的接线。然后展示了如何构建一个完全可调光的LED灯泡，即使在其他不兼容的TRIAC电路中使用也是如此。文章进一步研究了Cirrus Logic的IC，它作为两个世界之间的转换桥梁，在将LED灯拧入传统调光电路的插座或灯具时提供无缝，高质量的体验。