AC Light Dimming

脈寬調變(PWM, Pulse Width Modulation)是一種很有趣的技術，它廣泛的應用在生活上不同的領域中，基本原理是利用微處理器所輸出的數位訊號來控制類比訊號的輸出。還記得嗎？我們之前曾在DIY智慧型垃圾桶一文中介紹了如何使用PWM來控制伺服馬達的動作，每一個20ms脈衝週期（20ms為伺服馬達標準的脈衝控制週期）的前1~2ms脈衝寛度，代表的就是馬達所要轉動的角度。

因此，伺服馬達利用PWM中不同的脈衝寛度來判斷要轉動的角度，既然我們能夠透過數位訊號來控制輸出的脈衝寛度，那麼，如果把它應用在電流輸出上，透過改變電流脈衝的寛改變整體通電時間的比例，不就可以讓燈泡因電流的變化而有不同的亮度嗎？的確，這種利用PWM改變脈衝寛度讓類比電流產生變化的技術，目前已經大量運用在燈具的調光或馬達的調速上，它改善了以往使用電阻變化調整電壓的缺點（一樣耗電，多餘的電能皆轉為熱能），能夠真正達到節電的目的。

AＣ交流電

我們家中電源插座所提供的是交流電（AC, Alternating），這種電源不同於DC電池的直流電，它的電源大小和正負極會呈現週期性的變化，其頻率變化週期是60HZ，也就是每秒鐘變化60次。這個60HZ頻率的數字很重要，我們稍後在撰寫調光程式時會用到它。AC 60HZ用於北美、日韓及我們台灣，而在更廣泛的歐洲、紐澳、非洲及中國，用的則是50Hz的標準，因此，我們在撰寫PWM調光程式時，必須因應不同地區的標準而修改。

下方是一個標準110V 60Hz交流電的波形，每一個完整的AC波形都是由一個正半波和一個負半波組成，其中，波形和X軸（也就是0V）的交接點，我們稱為零交越點（Zero cross），跟頻率變化週期60HZ這個數字一樣，稍後的PWM調光程式也會用到零交越點的概念。

那麼經過PWM處理後的AC波形長什麼樣子呢？就像如下的圖形，綠色是原來未經處理的波形，紅色則是PWM處理後減少了一半寬度的波形，等於是通電時間只有原先的50%，因此通過的電流只有原先的一半，如果我們接的是燈泡，亮度只會是原先的一半，如果是馬達，同理也會減速一半。

透過PWM調控出來的AC電流在一般傳統的鎢絲燈泡上效果相當不錯，不過如果用在目前流行的LED燈泡，會發現有頻閃或閃爍的情況，無法作到無間隙的亮暗度調整，這是因為一般LED燈泡的驅動電路僅能依據電流有無作出開與關的動作，而無法配合前文提到的以零交越點為基準來調整開與關（導通時間），其原因可參考http://baike.baidu.com/view/6507467.htm或其它更專業的技術文章，其實一般透過修改LED內部驅動功能就可以實現明暗度的調節，只是大多數的LED廠商都將這個功能去掉以節省成本，因此如果我們要在LED上使用PWM調光功能，購買時就必須選擇有註明「適用傳統調光器」的LED型號，當然價格也比較貴。

PWM如何控制AC電流

我們再回頭看一下這張圖片。AC的頻率週期是60Hz，亦即1/60秒，那麼半個波就是1/120秒。

這半個波1/120秒，大約等於0.00833秒也就是8.33ms（毫秒），這個數字挺重要的，因為PWM調光程式會用得到。

假設我們希望作到128階段的調光功能，那麼可將這個8.33ms再除以128，就得到每單位為65us：8.33ms/128 ≒ 0.065ms ＝ 65us（微秒），因此，如果我們想要輸出50%的電力，就應該要從零交越點上延遲65us x 64（因為128/2 = 64）＝ 4160us的時間，就可以僅僅輸出原先一半的電力，如果要輸出25%電力，那麼就要延遲65us x 32（因為128/4 = 32）＝ 2080us的時間，故可知延遲時間愈短，電力愈高，反之亦然。

最終，經過PWM修正的波型會長得如下:：

ARDUINO如何輸出PWM

底下是一個輸出PWM訊號的Arduino程式，其中你會發現在setup()中有定義了一個中斷處理attachInterrupt(1, zero_crosss_int, RISING)，當中斷腳位一的電壓上升時便要去執行其中所指定的中斷處理函式 zero_crosss_int()。這個中斷發生代表電壓上升的時間點，其實就是前言中所謂的零交越點，所以在zero_crosss_int()函式中，我們會在該零交越點發生時，依據dimming的值讓系統經過延遲的時間後，才將電壓回復為1。

unsigned char AC_LOAD = 7;    // Output to Opto Triac pin

unsigned char dimming = 3;  // Dimming level (0-100)

unsigned char i;

void setup() {

// put your setup code here, to run once:

pinMode(AC_LOAD, OUTPUT);// Set AC Load pin as output

attachInterrupt(1, zero_crosss_int, RISING);

// Serial.begin(9600);

}

void zero_crosss_int()  // function to be fired at the zero crossing to dim the light

{

// Firing angle calculation : 1 full 50Hz wave =1/50=20ms

// Every zerocrossing : (50Hz)-> 10ms (1/2 Cycle) For 60Hz (1/2 Cycle) => 8.33ms

// 10ms=10000us

int dimtime = (100*dimming);    // For 60Hz =>65

delayMicroseconds(dimtime);    // Off cycle

digitalWrite(AC_LOAD, HIGH);   // triac firing

delayMicroseconds(10);         // triac On propogation delay (for 60Hz use 8.33)

digitalWrite(AC_LOAD, LOW);    // triac Off

}

void loop() {

// Serial.println(pulseIn(8, HIGH));

for (i=5;i<85;i++) { dimming=i; delay(20); }   for (i=85;i>5;i–)

{

dimming=i;

delay(20);

}

}