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TRIAC 위상 제어 조광기로 LED 대체 조명의 광도 조절

기산(箕山) 2019. 10. 20. 05:32

TRIAC 위상 제어 조광기로 LED 대체 조명의 광도 조절

 

http://dves.egloos.com/4750659

 

고휘도 LED의 발광 효능/가격이 개선되면서 LED는 가장 각광받는 대체 조명의 광원 중 하나가 되었다.

하지만 고체상 조명(SSL) 제품을 기존의 전기설비 인프라에 맞추는 것이 해결할 과제였다.

본 고에서는 TRIAC 조광기를 사용한 LED 조광 문제와 저렴한 TRIAC 조광기 인프라를 변경하지 않고도

직접 LED 대체를 가능하게 하는 솔루션에 대해 살펴볼 것이다.

글/Tony Lai, 시스템 마케팅 책임자, NSC



고휘도 LED의 발광 효능/가격이 개선되면서 LED는 가장 각광받는 대체 조명의 광원 중 하나가 되었다.

하지만 고체상 조명(SSL) 제품을 기존의 전기설비 인프라에 맞추는 것이 해결할 과제였다.

본 고에서는 TRIAC 조광기를 사용한 LED 조광 문제와 저렴한 TRIAC 조광기 인프라를 변경하지 않고도

직접 LED 대체를 가능하게 하는 솔루션에 대해 살펴볼 것이다.




TRIAC(포워드-위상) 조광기의 작동 원리

 

 
 
TRIAC 조광기의 기본 회로도가 그림 1에 나와있다.
기본 구성 요소는 전위차계 R1, 고정 레지스터 R2, 커패시터 C1, DIAC 및 TRIAC으로 이루어져 있다.

 

R1, R2 및 C1으로 형성되는 RC 네트워크는 C1의 전압이 DIAC의 트리거 전압에 도달할 때까지 TRIAC의 시동을 지연한다.

가변저항 R1(와이퍼가 아래로 이동)의 저항이 증가하면 TRIAC(θ)의 온타임 또는 ‘도통각’을 감소시키는 시동 지연이 증가한다.

재래식 TRIAC 조광기의 전압 파형이 그림 2에 나와 있다.

그림 2(a)는 전선 입력 전원의 완전한 정현파 전압 파형을 보여준다.

심지어 최대 밝기로 설정할 때도 일부 조광기는 100% 온타임, 즉 완전한 정현파를 제공한다.

그림 2(b)는 TRIAC 조광기에서 나오는 이론적 차단된 전원 라인 전압 파형을 보여준다.

타임을 ‘도통각(conduction angle)’이라고도 하며 각도 또는 라디안 값으로 표시한다.

오프타임은 TRIAC에 전원을 공급하는 RC 회로에 의해 발생된 지연을 나타낸다.

오프타임을 ‘차단각(firing angle)’이라고 한다.

 

 

 

 

 
그림 3은 인덕터와 커패시터 필터를 장착한 실제 TRIAC 조광기 회로를 보여준다.
인덕터와 커패시터 필터는 예리한 dv/dt 전압 에지의 속도를 늦춰서 전도된 EMI를 감소시킨다.
백열 램프의 저항성 부하 특성이 L-C 필터에 감쇠 효과를 파급하고, 유지 전류를 TRIAC로 공급한다.

 

TRIAC 조광기는 각 1/2 사이클 동안 부하 전압의 적용을 지연시켜 부하 전력을 감소시킨다.

이러한 방식은 백열 램프와 같은 저항성 부하에는 매우 적합하지만 다른 유형의 부하에서는 작동하지 않는다.



TRIAC 조광기를 사용한 LED 디밍의 잠재적 문제점


TRIAC 조광기를 일반적인 AC/DC 전력 컨버터로 구동할 때 램프 부하에 대해 전류 감쇠 및 유지 효과가 나타나지 않는다.

따라서 많은 형광등, 컴팩트 형광등 및 LED 드라이버에서 ‘조광기와 사용하지 말 것’이라는 스티커가 발견된다.

그림 4는 일반적인 AC/DC 스위칭 모드 LED 드라이버를 보여준다.

다른 전자 기기의 간섭을 피하기 위해서 입력 활성 및 중성 단자에 장착되는 EMI 필터를 사용하여

스위칭 모드 전력 컨버터에 의해 생성되는 전도 노이즈를 억제한다.


 

 
 
많은 저가형 AC/DC LED 드라이버가 들어오는 AC를 직접 정류해서 생성되는 펄스형 DC를 벌크 커패시터에 적용하여
전력 컨버터에 일정한 DC 전압을 공급한다.

 

스위칭 모드 전원 공급장치는 순수한 저항성 장치가 아니므로 TRIAC 조광기와 제대로 상호 작용하지 못할 수 있다.

다음과 같은 문제가 발생할 수도 있다.



(1) 매우 낮은 도통각에서 LED 깜박임

AC 제로-크로싱을 통해 통과하는 동안 TRIAC가 오프 상태이므로 일반 AC/DC 스위칭 모드 LED 드라이버가

셧다운될 수 있으며 LED 로드를 제대로 구동할 수 없게 된다.

따라서 TRIAC 조광기 도통각이 매우 낮을 때, 전선 전력의 2배의 주파수(100Hz/120Hz)에서 LED 로드의 짧은 시동 시간이

육안에 인지되어 그림 5에서 보듯이 깜박임 효과가 발생한다.


 

 


(2) 입력 필터링 커패시터에서 상당한 전압 상승

그림 3에서 보듯이 일반 TRIAC 조광기에 EMI 억제 커패시터(10~100nF 범위)가 TRIAC와 병렬 위치에 내장되므로

입력 필터링 커패시터로 상당한 양의 전류가 유입된다.

그 결과 조광기가 오프 상태인데 입력 커패시터에서 갑자기 전압이 상승하고, 과부하로 인해 입력 필터 커패시터가

손상될 수도 있다.



(3) TRIAC 전도를 유지하기에 불충분한 보유 전류


유지 전류는 TRIAC를 작동 상태로 유지하는데 필요한 최소한의 기본 전류로,

기계식 릴레이의 ‘드롭아웃’ 또는 ‘최소동작 조건’ 수준과 관련시켜 이해할 수 있다.

 


 

 

 
 
언급했듯이 많은 AC/DC LED 드라이버가 단순한 브리지 정류를 적용한다.
들어오는 전압 파형의 최고조에서 극히 단기간 전원으로부터만 전류가 유도되고,
각 1/2 사이클의 잔여 기간에 일반 전선에서 유입되는 전류는 없다.
따라서 TRIAC 전도를 적절히 유지할 정도의 전류가 AC 전선에서 유도되지 못한다.

 



(4) TRIAC 점호 시 입력 전류 오실레이션
 


 

 
 
모든 종류의 스위칭 모드 LED 드라이버는 AC 전선에 EMI 필터를 내장하고 있다.
TRIAC 조광기에도 자체 LC 필터가 내장되어 있을 수 있다.
이러한 모든 필터에 유도성 및 용량성 소자가 내장된다.
각 1/2 사이클에서 TRIAC가 점호될 때 입력 전압의 높은 dv/dt 상승이 각 1/2 사이클에서
수많은 입력 전류 오실레이션과 반전을 유발한다(그림 6참조).
TRIAC는 전류의 짧은 반전 동안 전도를 계속하거나 꺼질 수도 있다.
임의 시간에 TRIAC의 불발이 LED 깜박임을 유발한다.

 



문제에 대한 권장 솔루션


지금부터 이러한 문제를 극복하기 위해 기존 백열 전구 시스템의 진정한 LED 대체를 가능하게 하는

솔루션에 대해 살펴보자.


(1) 극히 낮은 도통각에서 LED 깜박임 효과 해결


내셔널 오프라인 TRIAC 조광식 LED 드라이버의 기본 회로도와 구성도를 그림 7에서 보여준다.

LM3445의 각도  탐지 및 DIM 디코더(그림 7에서 점선으로 표시된 부분)가 TRIAC의 절단 파형을

아날로그 기준 신호로 변환한다.

 


 

 

 
아날로그 기준 신호의 전압은 TRIAC 조광기의 도통각에 정비례한다.
그래서 벅 컨버터의 듀티비를 제어하기 위해 주 MOSFET의 스위치 전류와 비교된다.
벅 컨버터의 듀티 사이클은 연속 LED 전류 레벨을 제어한다.

 

그림 8은 LM3445 TRIAC 조광식 LED 드라이버의 이론적인 파형이다.

CS 핀(벅 전환 전류)의 전압 파형이 FLTR2 핀의 레퍼런스 전압을 타격하면 다음 사이클이 시작될 때까지

구동 게이트 펄스가 종료된다. 그러면 주 스위치의 온타임 듀티 사이클이 LED 직류 레벨을 제어한다.

다시 말해서 TRIAC 조광기의 도통각이 작을수록 FLTR2 핀에서 생성되는 DC 전압이 작아지고

주 스위치의 듀티 사이클도 짧아져서 결국 LED 스트링의 직류가 감소한다.



 

 
 
100/120 전선 주파수 이후 LED 온/오프를 절단하는 다른 LED 드라이버와 달리 LM3445는
TRIAC 조광기의 도통각에 상응하여 직류를 조정한다.
따라서 TRIAC 조광기의 낮은 도통각에서도 120Hz 깜박임없이 매우 넓은 조광 범위를 제공한다.

 



(2) TRIAC가 오프 상태일 때 입력 필터의
심각한 전압 상승 억제


BLDR 핀이 7.21V 임계치 이하인 동안(즉, TRIAC가 오프 상태인 동안) 블리더 MOSFET 스위치가 켜지면서

직렬 통과 레귤레이터에 약한 부하(230 ohm)가 걸린다.

추가적인 230ohm 부하로 인해 TRIAC가 아직 점호되지 않을 때 입력에서 전압 상승이 억제해야 한다.

BLDR 핀이 7.21V를 넘어서면(즉, TRIAC에 전도되면) 블리더 레지스터가 제거되면서 효율이 상승한다.



(3) TRIAC 전도를 유지하기 위한 유지 전류 공급


 

 
LED 드라이버로 백열 전구(특히 레지스터)를 에뮬레이션하려면 점호된 후 전도를 적절히 유지하기 위해
AC 전선 사이클 내내 TRIAC에 최소량의 전류가 필요하다. 이를 TRIAC의 유지 전류 Ihold라고 한다.

 

그림 10A에서 보듯이 TRIAC 조광식 LED 드라이버 솔루션은 AC 전선에서 전력을 유도하는 두 가지 주요 전류 경로로 구성되는데,

LED 드라이버 회로로부터 Iin_driver(t)와 블리더 회로로부터 Ibleeder(t)이다.

그리고 Iin_driver(t)와 Ibleeder(t)의 합계는 AC 전선 사이클 내내 유지 전류보다 커야 점호된 후 TRIAC 전도가 유지된다.

TRIAC 조광기의 도통각이 극히 낮을 때 LED 드라이버 회로 Iin_driver로부터 유도되는 전류의 양은 극히 작다.

따라서 블리더 전류는 TRIAC 조광기의 유지 전류와 동일해야 한다.

그림 10B는 Q1, D1, R2 및 R5로 구성되는 LM3445 구동 솔루션의 간단한 블리더 회로를 보여준다.

여기서 다음 방정식으로 Q1을 통해 흐르는 블리더 전류를 변경하도록 R5 값을 설정할 수 있다.

 

 

 

 

 

Ibleeder ≈ IQ1 = IR5 + Icc

IR5 = Ibleeder - Icc = (Vz - Vgs-th) / R5

R5 = Vz - Vgs-th / Ibleeder - Icc

R5 값과 블리더 전류는 함께 사용할 TRIAC 조광기의 종류에 주로 좌우된다.

전력 등급이 높은 TRIAC 조광기를 사용할수록 R5의 값이 감소하므로 일반적으로 필요한 유지 전류가 증가한다.

하지만 블리더의 전력 손실이 Vac_rms x IQ1와 동일할 때 Q1으로부터 더 많은 열이 방출되면서 변환 효율이 떨어진다.

이 단순한 블리더 회로가 필요한지 여부에 관계없이 정류된 AC 파형의 전체 1/2 사이클 동안 입력으로부터 전류를 유도한다.

그림 11에서 훨씬 더 효율적인 설계가 제안하고 있다. 선형 RHOLD 회로는 필요할 때에만 블리더 전류를 추가한다.


선형 RHOLD 회로

 

 

 
그림 11의 회로는 LED 전류(또는 TRIAC 도통각)가 감소할 때 RHOLD 레지스터를 통해 더 많은 전류를 유도한다.
TRIAC 조광기의 도통각이 증가할 때 LED 드라이버 회로(즉, Iin_driver)로부터 유도되는 전선 전류는
TRIAC 전도를 유지하기에 충분한 양을 넘어선다.
그러면 Rhold 레지스터 연결이 차단되므로 여분의 TRIAC 유지 전류가 불필요해진다.

 

그림 11의 표에서 이 회로는 LM3445 DIM 핀에서 50%의 듀티 사이클로부터만 TRIAC 유지 전류를 추가함을 알 수 있다.

그리고 DIM 핀의 듀티 사이클은 TRIAC 조광기의 도통각에 반비례한다.



(4) TRIAC의 불발을 피하기 위한 EMI 필터 설계

 

 

 

 

 
그림 12에서 TRIAC 점호와 상호작용할 때 입력 필터 오실레이션을 피하기 위해 가능한 EMI 구성 중 하나를 보여준다.

 

그림 6에 나타난 표준 EMI 필터와 달리 LC 필터의 오실레이션을 차단하기 위해 브리지 정류기의 AC 입력 핀 사이에 설치되는

X 커패시터가 없다.

X 커패시터를 제거하는 대신에 필터링 LC 필터가 브리지 정류기 뒤에 장착된다.

또한 TRIAC 조광기의 유도성 및 용량성 소자와 EMI 필터의 입력 X 커패시터 사이에서 공진을 감쇠하는 데 사용되는

RC 댐퍼 네트워크가 AC 전선 입력 구간에 삽입된다.


결론

 

 

 

 
SSL 구현이 성공하려면 LED 광속(Lumen) 출력의 최적화를 위해 효율적인 드라이버 솔루션이 필요하다.
일반 조명에서 고체상 조명의 또 한 가지 주요한 구동 요소는 Globes, PAR30/38, T5/T8 등과 같은
표준 조명기구 폼팩터에 맞추는 일과 벽걸이형 조광기 스위치를 포함한 기존 전기 인프라와의 완전한 호환성이다.
그러므로 조명기구 폼팩터와 시스템에서 저가형 TRIAC 조광기 인프라를 변경하지 않고도 직접적인 LED 전구 대체를
가능하게 하는 솔루션은 새로운 조명 분야에서 중요한 역할을 한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Source : semiconnet