LED照明異型整流電路分析

張紅輝

（衡陽技師學(xué)院 衡陽 421001）

引言

照明行業(yè)因傳統(tǒng)光源的能效較低，技術(shù)升級的空間不大，競爭激烈，產(chǎn)品本身的附加價值極低。目前，各國政府都在積極淘汰低效產(chǎn)品，大規(guī)模推廣節(jié)能產(chǎn)品，LED照明便應(yīng)運而生。在所有LED照明產(chǎn)品中，幾乎都需要整流電路單元。中小功率燈具，其整流電路具有極大的可改進(jìn)性，本文創(chuàng)新了一種異形整流電路，集整流與負(fù)載于一體，并對其進(jìn)行原理分析，樣品制作與實驗總結(jié)。

1 照明白光二極管特點

與白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：

工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；

工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；

抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；

調(diào)節(jié)發(fā)光亮度方便。

發(fā)光二極管的伏安特性如圖1所示。

圖1 發(fā)光二極管的伏安特性

2 白光二極管異型整流電路工作原理

2.1 常規(guī)LED驅(qū)動電源簡介

LED是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，因而在應(yīng)用過程中需要對其進(jìn)行穩(wěn)定工作狀態(tài)和保護(hù)，從而產(chǎn)生了驅(qū)動電源的概念。LED器件對驅(qū)動電源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白熾燈泡，可以直接連接220 V的交流市電。

圖2 LED異型整流電路原理圖

正向壓降（VF）和正向電流的（IF）關(guān)系曲線，由曲線可知，當(dāng)正向電壓超過某個閾值（約2 V），即通常所說的導(dǎo)通電壓之后，可近似認(rèn)為，IF與VF成正比。VF的微小變化會引起較大的，IF變化，從而引起亮度的較大變化，因而LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。除了恒流的要求之外，LED對驅(qū)動電路還有高可靠性，高效率，高功率因素，浪涌保護(hù)，過壓過流過熱保護(hù)，符合安規(guī)和電磁兼容，壽命長等要求，從而導(dǎo)致LED驅(qū)動電源成本居高不下，甚至影響產(chǎn)品推廣。

2.2 LED異型整流電路原理

整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，經(jīng)后續(xù)處理，向負(fù)載提供電源，主要由整流二極管組成。電路構(gòu)成方式主要有半波整流電路、全波整流電路和橋式整流三種。LED照明電路與其它電路不同之外在于：LED器件本身具有整流二極管的單向?qū)щ娦?，同時又是電路的負(fù)載，完成電能－光能轉(zhuǎn)換。充分利用它的這個性能，改進(jìn)照明電路驅(qū)動，以實現(xiàn)電路原理簡潔，成本低，可靠性高等優(yōu)點。設(shè)計的LED異型整流電路原理如圖2所示。

1）半波異型整流

圖3 半波異型整流電壓波形

原理如圖2中圖半波a所示。利用LED的單向?qū)ㄌ匦詠磉M(jìn)行整流，除去半周交流電轉(zhuǎn)換為直流電，點亮燈珠，工頻時，電路工作頻率仍是50 Hz，周期20 ms。因為燈體的余輝效應(yīng)和人眼的視覺暫留共同作用，用戶可以看到LED發(fā)光，而沒有閃爍感。半波整流后輸出的直流電為脈動直流電，因其電路簡單，可靠性高，成本低廉等優(yōu)勢而得到廣泛的使用，如開關(guān)，插座，熱水器，小家電，機(jī)床設(shè)備等產(chǎn)品的通電指示。工作波形如圖3所示。

在0-π時間內(nèi)，輸入電壓為正半，此時LED承受正向電壓面導(dǎo)通發(fā)光，在π-2π 時間內(nèi)，輸入電壓為正半，這時LED承受反向電壓，不導(dǎo)通，電流為零（忽略反向漏電流）。在2π-3π時間內(nèi)，重復(fù)0-π 時間的過程；而在3π-4π時間內(nèi)，又重復(fù)π-2π時間的過程…這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被"削"掉了，只有正半周通過通過了LED，如圖3所示，達(dá)到了整流的同時供電的目的。

限流器阻抗：

U是電源電壓有效值，電流Imax的選擇，應(yīng)參考燈珠規(guī)格書，并留有一定的市電電壓變化余量，以防止燈珠過熱損壞。

半波異型整流電路中，當(dāng)需要多個LED照明時，可以參考圖2中半波b圖，進(jìn)行擴(kuò)張，但最大LED燈珠個數(shù)n須滿足以下條件：

Up是交流電的峰值

限流器總阻抗：

半波異型整流電路的局限性：LED截止時，正負(fù)極之間承受了全部交流電壓的峰值，因而限流電阻的選擇非常重要，以免反向截止時，因電流過大導(dǎo)致不可逆的硬擊穿而損壞器件。

2）全波異型整流

全波異型整流電路中，在半個周期內(nèi)，電流流過LED1，而在另一個半周內(nèi)，電流流經(jīng)LED2，兩個LED使流經(jīng)它們都獲得正向電流。全波異型整流電路，利用了交流的兩個半波，這就提高了電源效率，兩只LED輪流工作，發(fā)光更均勻。

全波異型整流電路中，LED1和LED2反向截止時，其承受的反壓僅為另一只LED的正向?qū)妷海蚨淮嬖诜聪驌舸╋L(fēng)險。因其電路簡單可靠，可廣泛用于小夜燈，屏幕背景燈，墻角等亮度需求不高的產(chǎn)品中。其工作原理如圖2全波a圖所示，電流波形如圖4所示。

U是電源電壓有效值，電流Imax的選擇，應(yīng)參考燈珠規(guī)格書，并留有一定的市電電壓變化余量，以防止燈珠過熱損壞。

全波異型整流電路中，當(dāng)需要多個LED照明時，可以參考圖2中全波b圖，進(jìn)行擴(kuò)張，但最大LED燈珠個數(shù)n須滿足以下條件：

Up是交流電的峰值

限流器總阻抗：

3）橋式異型整流

橋式整流電路的工作原理如下：輸入電壓正半周時，對LED2，LED3加正向電壓，LED2，LED3導(dǎo)通發(fā)光，而LED1，LED4因負(fù)壓截止。負(fù)半周時，對LED1，LED4加正向電壓，LED1，LED4導(dǎo)通發(fā)光，而LED2，LED3因負(fù)壓截止。兩組LED輪流交替導(dǎo)通，如此重復(fù)下去，結(jié)果使得電路發(fā)光功率更大，光強(qiáng)更加均勻。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。與全波異型整流LED電路一樣，不存在反向擊穿的風(fēng)險。

橋式異型整流電路中，當(dāng)需要多個LED燈珠照明時，可以參考圖2中橋式整流b圖，進(jìn)行擴(kuò)張，但最大LED燈珠個數(shù)n須滿足以下條件：

Up是交流電的峰值

限流器總阻抗：

3 LED橋式異型整流樣品測試

3.1 常溫常壓測試

小批樣機(jī)成品4個，經(jīng)15日連續(xù)老化并用1.5 m積分球測試系統(tǒng)測試，工作正常，光通量4.3 lm無亮度衰減。

測試儀器：SPEC-2000A光譜分析系統(tǒng)。

3.2 全電壓過壓欠壓測試

采用Rek5000數(shù)顯交流變頻電源，對樣品進(jìn)行全電壓100 V-220 V并加減10 %進(jìn)行老化48 h測試，全部性能指標(biāo)正常。

圖4 全波異型整流電流波形圖

3.3 溫濕度測試

1）依據(jù)GB 2423·1溫度等級，對樣品進(jìn)行慚變低溫測試：

低溫溫度：-30℃±3 ℃，16 h 在整個試驗周期中，檢測試驗樣品正常工作，恢復(fù)常溫后通電，仍能正常工作。

2）依據(jù)GB 2423·2溫度等級，對樣品進(jìn)行慚變高溫測試：

試驗溫度：+55 ℃±2 ℃ 16 h，在整個試驗周期中以恢復(fù)常溫后試驗樣品正常工作。

3）依據(jù)GB 2423·3，對樣品進(jìn)行溫度試驗：

試驗溫度：+40 ℃±2 ℃，相對濕度：93 %±3 %，持續(xù)時間：16 h

在整個試驗周期中以恢復(fù)正常濕度后，試驗樣品正常工作。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)照明電路相比，異型整流電路可以利用發(fā)光二極管本身的單向?qū)щ娦?，?jié)約改進(jìn)前的整流電路和驅(qū)動電路成本和其自身功耗，經(jīng)多項國標(biāo)試驗，達(dá)到實用要求，具有高度的推廣意義。