新型交流LED照明方法

楊永棟 劉 橋 周 驊

(貴州大學理學院，貴州貴陽 550025)

1 前言

隨著能源危機的日益嚴重，LED作為綠色照明負載正迅速占領市場。而由于開關電源體積小、功耗小、效率高、適應電壓范圍寬，所以目前市場上的LED燈大部分都采用傳統(tǒng)的開關電源進行驅(qū)動。但是開關電源無法突破大功率的瓶頸，且電磁干擾非常嚴重，導致其應用前景暗淡無光。針對這些問題，本文詳細分析了交流LED負載的各種特性，并針對這種特性提出了一種全新的驅(qū)動方式。該方案結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本低廉，不僅解決了開關電源存在的問題，而且大幅度提高了LED燈的功率因素和電源效率。

2 交流LED介紹

目前，LED節(jié)能燈主要采用直流電驅(qū)動大功率直流LED負載的方式實現(xiàn)，所以必須利用AC/DC將市電轉(zhuǎn)換為直流電。而AC/DC轉(zhuǎn)換電路會產(chǎn)生嚴重的紋波電流，污染電網(wǎng)，并降低了電路的功率因素，使得LED驅(qū)動電路的成本居高不下［1］。而如果直接利用市電驅(qū)動交流LED負載，那么將不需要進行AC/DC變換，從而輕松解決了AC/DC轉(zhuǎn)換電路所導致的一系列問題。

2.1 交流LED的結(jié)構(gòu)

交流LED利用直流LED反向并聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，交流LED的材料是直流LED的兩倍，會導致LED的成本劇增，而且交流LED 是兩路芯片分別工作在正負半周期，存在頻閃的現(xiàn)象。

圖1 交流LED負載的結(jié)構(gòu)

為了克服交流LED的缺陷，由于LED芯片本身具有單向?qū)ǖ奶匦?，因此本文提出了一種橋式整流結(jié)構(gòu)的交直流LED，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中Da，Db，Dc，Dd四個LED芯片組成橋式電路，在交流電源的驅(qū)動下，Da，Dd與Db，Dc分別工作在正負半周期，D1……Dn工作在全波狀態(tài)下。由于D1……Dn一直處于工作狀態(tài)，所以頻閃的現(xiàn)象會因為余輝的作用得以減輕。相對于交流LED一直有50%的芯片處于熄滅狀態(tài)而言，交直流LED只有2顆芯片處于熄滅狀態(tài)，極大程度上提高了LED芯片的使用率，緩解了交流LED負載成本過高的矛盾。

圖2 交直流LED負載的結(jié)構(gòu)

2.2 交流LED的特性

由交流LED的結(jié)構(gòu)可知，其兩路燈芯分別工作在正、負周期，工作電壓由市電 Vcc=220 槡2 sin100πt提供，本文以韓國某公司生產(chǎn)的高壓交流LED為例。

電壓特性:當輸入電壓小于交流LED兩端額定電壓時，V(LED)≈Vac;當輸入電壓大于交流LED兩端額定電壓時，需要通過其他電子元件進行降壓，所以:V(LED) ＜Vac。

電流特性:電路回路的電流隨著交流LED兩端的電壓的增大而增大，但是由于LED存在導通溝，所以電流的寬度略小于電壓寬度。

交流LED工作時的電壓及電流特性曲線如圖3所示。

圖3 交流LED特性曲線

對于LED兩端的電壓進行分析:當輸入電壓V=Vi*sin100πt的峰值小于LED額定電壓時，LED兩端電壓的有效值為:反之，LED兩端的電壓波形會出現(xiàn)削峰失真如圖4所示。

圖4 交流LED負載兩端電壓波形

圖5 電路回路中的電流波形

此時，LED兩端電壓的有效值為:

對于回路中的電流進行分析:當回路中電流I=Ii*sin100πt的峰值小于LED額定電流時，回路中電流的有效值為:反之，回路中電流波形會出現(xiàn)削峰失真如圖5所示。

此時電路中的電流有效值應為:

而當Ii隨著電壓的升高增大到Ii'時，電路中的電流有效值變?yōu)?

由上述公式及圖五可以得出:I有效值＜ I有效值'，因此可以得出結(jié)論:電路中的恒流元件只能起到對交流電流的限幅作用，所以電路中的電流有效值還是會隨著電壓的變化而變化，與直流LED的電流恒定有著本質(zhì)的區(qū)別。

3 交流LED供電電路

根據(jù)交流LED的特性可知:交流LED負載必須工作在額定的電壓及電流范圍內(nèi)。因此，在電壓變化的情況下，交流LED的驅(qū)動電路要求能夠提供穩(wěn)定的電流，并且保障LED兩端的電壓在額定電壓范圍之內(nèi)。所以交流LED驅(qū)動電路中必須包含恒流元件，而且要求具有很寬的工作電壓范圍。而恒流二極管正具有恒定電流穩(wěn)定、工作電壓范圍寬等特點。

3.1 恒流二極管的特性

2DHL系列恒流二極管是一種硅材料制造的基礎電子器件，具有單向?qū)ㄐ?，輸出的恒定電流?1mA～80mA)，精度高，啟動電壓低 (3V～3.5V)，恒流電壓范圍寬 (25V～100V)，響應時間快 (tr＜50ns，tf＜70ns)等優(yōu)點。恒流二極管按照正負極性接入電路中后，回路即可達到恒流的效果，應用簡單，實現(xiàn)了電路理論和電路設計中的二端恒流源［2］。2DHL系列恒電流二極管輸出特性曲線如圖6所示，實際測量曲線圖如圖7所示。

圖6 恒流管輸出特性曲線

圖7 實際測量曲線

由圖7可見，一旦達到恒流管的啟動電壓，恒流管能夠在很寬的電壓范圍內(nèi)起到非常好的恒流作用，從而能夠保障交流LED安全地工作，因此可以直接利用由恒流二極管組成的供電模塊為交流LED供電。由于恒流二極管輸出的恒定電流大，所以可以直接驅(qū)動負載，而為了獲得更大的電流可以將多個恒流管并聯(lián)使用。

3.2 基于恒流二極管的交流LED供電電路

利用恒流二極管設計的交流LED驅(qū)動電路如圖8所示，HVLED為高壓交流LED負載。該電路由220V市電供電，通過由電阻、恒流二極管、二極管組成的供電模塊直接驅(qū)動高壓交流LED負載。電阻R1和R2所在的支路分別工作在正、負半個周期內(nèi)，為LED負載提供穩(wěn)定的電流。由于在一個周期內(nèi)，電路中所有的元件都只工作半個周期，所以元件的功耗降低，有利于減輕元件的散熱問題，以及提高電路的壽命。

圖8 基于恒流二極管的交流LED驅(qū)動電路

因為電路由市電直接驅(qū)動，恒流二極管工作在交流狀態(tài)下，所以當恒流管兩端的壓降低于啟動電壓時，恒流管不工作;而當壓降達到啟動電壓時，恒流管開始恒流，因此恒流二極管只在進入工作區(qū)(壓降大于啟動電壓)時對電路進行恒流［3］。對于整個電路而言，恒流二極管的作用就是限流，即限制電路中電流的峰值，從而保護LED負載安全工作。該作用體現(xiàn)到負載就是負載兩端的電壓出現(xiàn)削峰現(xiàn)象。通過示波器測得的LED負載兩端的電壓波形如圖9所示，與交流LED的電壓特性完全吻合。

圖9 高壓交流LED負載兩端的電壓波形

由于恒流二極管具有很寬的工作電壓，所以當電壓升高時，恒流管還有為LED負載分壓的作用。二極管則是利用其單向?qū)щ姷奶匦?，防止支路中的反向電流過大而擊穿恒流二極管，從而保護恒流二極管正常工作。

電路中電阻R1和R2的主要作用是為恒流二極管調(diào)節(jié)合適的工作點。如果電阻阻值偏大，恒流二極管會因為壓降不夠而無法進入恒流區(qū)，導致回路的電流偏小;電阻阻值偏小，恒流二極管則因兩端壓降過大而容易燒毀;因此根據(jù)LED負載選擇合適的電阻是保障電路能夠正常工作的必要條件。

本設計使用的LED負載是韓國某公司生產(chǎn)的高壓交流LED，其額定工作電壓為190V(rms)，額定工作電流為22mA(rms)。根據(jù)負載的指標，由電路結(jié)構(gòu)可以計算出電阻的理論阻值，其中恒流二極管的工作電壓一般為5V～8V，二極管的壓降為0.7V。電阻阻值R和電源效率η的計算方法為:

由 (5)式可以發(fā)現(xiàn)，該電路的電源效率主要決定于電阻兩端的壓降。電阻阻值變大時，電源效率變低，但是當市電電壓升高時，回路電流增大，電阻的壓降增大，為LED負載和恒流二極管分擔更多的壓降，保護電路穩(wěn)定工作，提高了電路的安全性;反之，電阻阻值變小時，電源效率變高，而電路的安全性降低。

3.3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)電路制作出的5W-LED燈的電路板如圖10所示。該電路結(jié)構(gòu)簡單，電路板面積小，而且為了實現(xiàn)大功率的LED節(jié)能燈時，只需要將多個5WLED燈并聯(lián)在一起即可?；谶@一特點，本論文對5W-LED燈進行了模塊化設計，將不同數(shù)量的模塊組合即可得到任意功率的LED節(jié)能燈。已經(jīng)設計實現(xiàn)了各種不同功率的LED節(jié)能燈，其中45W-LED燈的電路板如圖11所示。

圖10 5W-LED燈的電路板

圖11 45W-LED燈的電路板

通過對不同功率的電路板進行測試，得到電路的一些基本技術參數(shù)如表1所示。表中的工作電壓及回路電流都是交流有效值，燈珠是指韓國某公司生產(chǎn)的高壓交流LED負載。

表1 不同功率LED節(jié)能燈測試結(jié)果

由表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):(1)在市電20%的正常波動 (180V～250V)范圍內(nèi)，電路可以正常工作;(2)電源效率可以輕松達到88%的高效率，極大地提高了電源的利用率;(3)電路的功率因素能夠達到90%，相對于其他LED驅(qū)動電源有著明顯的優(yōu)勢［4］;(4)由于電路中不存在電磁儲能元件，沒有電磁輻射，同時電流波形畸變非常小，且諧波很小 (＜0.5%)，不會對電網(wǎng)造成污染，屬于綠色照明 (綠色負載);(5)可以由小功率LED模塊并聯(lián)成大功率的LED，方式簡單;(6)恒流二極管在電路中起限流作用，不同于直流工作狀態(tài)的恒流作用。

通過實驗驗證，不同功率的LED節(jié)能燈都能正常工作，光源沒有頻閃現(xiàn)象，而且都通過了溫度、顯色指數(shù)等指標測試。由于該設計中的驅(qū)動電路和LED負載都集成在一塊電路板上，且多個模塊并聯(lián)即可實現(xiàn)大功率LED節(jié)能燈，具有很好的密封性能，所以通過該設計實現(xiàn)的節(jié)能燈可以應用在路燈、隧道燈、機場、足球場、航海、航空等需要高亮度、高功率的室外照明上。相對于傳統(tǒng)的LED節(jié)能燈，該設計存在的唯一缺點就是高壓交流LED成本過高，但是隨著LED制造技術、封裝技術水平的提高，生產(chǎn)出高性能、低成本的高壓交流LED一定會在不久的將來實現(xiàn)。

4 結(jié)語

本文設計的基于恒流二極管的交流LED驅(qū)動電路，改變了傳統(tǒng)的LED驅(qū)動電路的設計方法，基于交流電源驅(qū)動交流負載的原則，通過恒流二極管的限流作用保護LED負載工作在額定電流內(nèi)。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，電源效率高，功率因素高，且不對電網(wǎng)造成任何污染等優(yōu)點。對于解決傳統(tǒng)LED驅(qū)動電源成本過高，很難驅(qū)動大功率 (大于300W)LED，以及節(jié)能燈壽命指標低等問題是十分有利的。該設計對LED節(jié)能燈的發(fā)展有著積極的推動作用。

［1］周驊，劉橋.基于恒電流二極管的LED驅(qū)動電路設計［J］.貴州大學學報 (自然科學版)，2011(6):87～90.

［2］煜立公司.2DHM/2DHL/2THL系列半導體電流調(diào)整管(恒流管) 產(chǎn)品手冊 ［M］.2011.

［3］尹杰，邱云峰.基于恒流二極管的小功率LED驅(qū)動電路設計 ［J］.井岡山大學學報 (自然科學版)，2010(9):79～82.

［4］馬存云.幾款市電供電的低成本LED驅(qū)動電路 ［J］.光源與照明，2007(4):19～21.