臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出一LED(Light-Emitting Diode)路燈照明系統，可自動判斷天色明暗並傳送不同責任週期之PWM(Pulse Width Modulation)訊號，以控制功因修正(Power factor correction, PFC)電源供應器調節路燈亮度；夜間行車遇雨天或大霧時，LED路燈則會依據感測器之感應值，從冷白光切換成暖白光進而提升路況能見度。本系統係利用Arduino微控制器(Microcontroller)接收光感測器因光線不同所感應的電壓值，經由微控制器內部ADC(Analog to Digital Converter)讀取後，並傳送相對責任週期的PWM訊號至調光電路，藉由控制PFC IC的回授電壓以改變LED模組的工作電壓。工作電壓提升時，LED因二極體特性而增加If，因此LED模組會變亮；相對地工作電壓下降時，LED亮度也會跟著衰減，此乃本研究之調光方法。白天及夜間天候不佳如下大雨或大霧時，微控制器會讀取濕度與雨水感測值，條件成立後微控制器會傳送高電位訊號至LED模組，此時模組會由冷白光切換至暖白光以增加人眼辨識度；而濕度與雨水偵測值達到LED由暖白光切換至冷白光的條件時，微控制器會傳送低電位訊號到LED模組，切回較亮的冷白光增加夜間道路明亮度。實際測試並比較不同調光之方法，PWM電壓調光的平均效率和損耗會優於PWM電流調光。整體系統效率最高可達87%，功率因數則達0.93。

This thesis proposes to use a power factor correction (PFC) power supply for providing electric energy to street light LED (Light-Emitting Diode) modules, which can automatically determine the brightness and color in the surrounding in order to change the duty cycle of pulse width modulation (PWM) signals for a complementary LED luminance. For example, when it rains or fogs, street light LED modules will switch the light from cool-white to warm-white to increase the visibility. The system utilizes Arduino microcontroller to detect the data of the light sensor and then send the corresponding duty cycle of PWM signal to the dimming circuit. The voltage of LED modules is changed by controlling the feedback voltage of PFC IC. The If of LED increases due to diode property as the working voltage increases, hence the LED brightens; On the contrary, the LED darkens as the working voltage decreases. The aforementioned is how brightness is adjusted in this study. Besides, microcontroller detects the humidity and rain sensors based on the current weather conditions to adjust two different colors of street light and its brightness. To sum up, comparing this street light LED system (adjust by PWM voltage control) with the normal lighting system (adjust by PWM current control), it is found that the former yields better performance. The whole system reaches the total efficiency up to 87% and power factor up to about 0.93.

目 錄

摘要 i
ABTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 4
1.3 研究貢獻 5
1.4 論文架構 6
第二章 主動式功率因數修正電路介紹 8
2.1 功率因數的定義 8
2.2 升壓型轉換器之電路架構 12
2.3 功率因數修正技術的控制模式 14
2.4 電流控制模式 17
2.4.1 電壓隨耦控制法 18
2.4.2 乘法器控制法 18
2.4.2.1 平均電流控制法 21
2.4.2.2 峰值電流控制法 22
2.4.2.3 磁滯電流控制法 23
第三章 升壓轉換器的介紹 25
3.1 電路架構與基本工作原理 25
3.2 連續導通模式之穩態分析 27
3.3 邊界導通模式之穩態分析 30
3.3.1 電感元件的設計 32
3.4 不連續導通模式之穩態分析 33
3.5 連續導通模式之輸出電壓漣波分析 35
第四章 硬體電路與軟體設計 37
4.1 功率因數修正電路設計 37
4.1.1 電流偵測 39
4.1.2 過載峰值電流限制 40
4.1.3 乘法器設計 41
4.1.3.1 前饋電壓與乘法器輸入電流 41
4.1.3.2 乘法器最大輸出電流 42
4.1.3.3 電壓誤差放大器 43
4.1.4 電流誤差放大器 46
4.1.5 儲能電感設計 47
4.1.6 輸出電容設計 48
4.2 LED調光電路設計 48
4.3 微控制器與感測器之應用 50
4.3.1 微控制器之設計 50
4.3.2 光感測器之設計 51
4.3.3 雨水與濕度感測器之設計 51
4.3.4 Arduino控制訊號與受控電路 52
4.4 微控制器程式設計與控制流程 53
4.4.1 光感測值程式設計 54
4.4.2 濕度與雨水感測值程式設計 56
第五章 實驗數據及波形 58
5.1 LED調光控制電路可行性之驗證 58
5.2 冷、暖白光LED調光之波形 61
5.2.1冷白光LED量測波形與數據 61
5.2.2暖白光LED量測波形與數據 68
5.3 LED輸出漣波電壓之波形 73
5.4 整體系統效率與功率因數 80
5.5 LED PWM電壓與電流控制調光之比較 83
第六章 結論與未來展望 88
6.1 結論 88
6.2 未來展望 88
參考資料 89

參考資料

[1]周志敏、周紀海、紀愛華，LED驅動電路設計與應用，臺灣：五南圖書出版，民國97年2月。
[2]黃孟嬌，全球LED照明技術發展趨勢，IEK產業情報，民國103年12月。
[3]工研院IEK，2015/01。
[4]宋自恆、林慶仁，功率因數修正器之原理與常用元件規格，新電子科技雜誌217期，民國93年4月。
[5]A. I. Pressman, Switching Power Supply Design, 3rd Edition, New York: McGraw-Hill Inc, 2009.
[6]N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics Converters Applications and Design, 3rd Edition, John Wiley &; Sons Inc, 2003.
[7]C. Adragna, “L6561, enhanced transition mode power factor corrector,” STMicroelectronics Application Note AN966, Mar. 2003.
[8]P. C. Todd, “UC3854 controlled power factor correction circuit design,” Unitrooe Application Note, U-134.
[9]B. P. Divakar and D. Suanto, “A new boost power factor pre-regulator,” IEEE Proc. PEDS’99, vol. 2, 1999, pp. 915-920.
[10]C. S. Lin, T. M. Chen and C. L. Chen, “Analysis of low frequency harmonics for continuous-conduction-mode boost power-factor correction,” IEEE Proc. Electric Power Applications, vol. 148, 2001, pp. 202-206.
[11]R. Oruganti, K. Nagaswamy and L. K. Sang, “Predicted (on-time) equal-charge criterion scheme for constant-frequency control of single-phase boost-type AC-DC converters,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 13, no. 1, Jan. 1998, pp. 47-57.
[12]O. Stihi and B. T. Ooi, “A single-phase controlled-current PWM rectifier,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 3, no. 4, Oct. 1988, pp. 453-459.
[13]C. A. Canesin and I. Barbi, “Analysis and design of constant-frequency peak-current-controlled high-power-factor boost rectifier with slope compensation,” IEEE APEC’96, vol. 2, 1996, pp. 807-813.
[14]L. Dixon, “Average current mode control of switching power supplies,” Unitrode Application Note, U-140, 1999, pp. 356-369.
[15]J. Sebastian, J. A. Martinez, J. M. Alonso and J. A. Cobos, “Voltage-follower control in zero-current-switched quasiresonant power factor preregulators,” Power Electronics Specialists Conference, vol. 2, Atlanta, Jun. 1995, pp. 901-907.
[16]A. W. N. Husna, S. F. Siraj and M. H. Mat, “Effect of load variations in DC-DC converter,” 2011 Third International Conference on, Computational Intelligence, Modelling and Simulation (CIMSiM), Langkawi, 2011, pp. 394-398.
[17]梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，臺灣：全華圖書股份有限公司，2009，第43-72頁、第230-252頁。
[18]R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics Second Edition, US: Springer, 2001, pp. 39-56.
[19]UCC2818 datasheet, Texas Instruments, Mar. 2009.
[20]洪瑞鴻，2kW功率因數修正器研製，碩士論文，國立台灣科技大學電子工程系，臺北，2005。
[21]D. G. Lamar, J. S. Zuniga, A. R. Alonso, M. R. Gonzales and M. M. H. Alvarez, “A very simple control strategy for power factor correctors driving high-brightness LEDs,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 24, no. 8, 2009, pp. 2032-2042.