節(jié)能LED照明燈研制

引言

目前廣泛用于家庭、學(xué)校和政府照明的熒光燈耗電較多，內(nèi)含汞蒸汽，燈管易碎，安全性差，一旦碎裂，對(duì)環(huán)境和人體有很大危害；熒光燈發(fā)光光譜不集中，含有大量紫外線等不可見光，不但降低了照明效率，而且紫外線加速皮膚、紙張、文物等的老化；熒光燈必需的啟輝器和鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁和噪聲污染，降低電網(wǎng)供電質(zhì)量，增加照明環(huán)境污染。

LED是由超導(dǎo)發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強(qiáng)度的燈光，采用電場(chǎng)發(fā)光，效能極高，發(fā)出的熱量很少，不像白熾燈那樣以熱量形式浪費(fèi)太多電量；LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，發(fā)光效率可達(dá)80％～90％，不像熒光燈那樣因消耗高能量而產(chǎn)生有毒氣體；LED屬于全固體冷光源，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，工作電壓低，不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞，是全球公認(rèn)的環(huán)保節(jié)能型光源。

高亮白光LED是電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?，其?qū)動(dòng)有直流控制、效率高、有過(guò)壓保護(hù)、尺寸小巧和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)?？紤]到用市電驅(qū)動(dòng)對(duì)用戶最方便，本文結(jié)合電力電子整流與恒流技術(shù)設(shè)計(jì)制作了一款綠色環(huán)保高效節(jié)能的LED照明燈，它節(jié)電效果明顯，消減了傳統(tǒng)照明光源的缺點(diǎn)，并可以直接在熒光燈架上使用(啟輝器拆除，鎮(zhèn)流器拆除與否對(duì)LED發(fā)光效果沒(méi)有影響)。

驅(qū)動(dòng)電路的原理與設(shè)計(jì)制作

220V工頻單相交流市電需要轉(zhuǎn)換為單路18mA～20mA的恒定直流才能驅(qū)動(dòng)LED燈。因此驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為交直流轉(zhuǎn)換電路和恒定電流輸出電路兩部分，前者采用單相橋式不可控整流電路，其輸出的直流電經(jīng)過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的LED燈珠，恒流源可以消除正向電壓變化所導(dǎo)致的電流變化，最終使LED產(chǎn)生恒定的亮度。

單相橋式整流電路原理與設(shè)計(jì)

單相橋式不可控整流電路含兩個(gè)整流回路，其電路原理圖、電源電壓波形、輸出電壓波形如圖l所示。

單相橋式不可控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是換流電路諧波很少，對(duì)電網(wǎng)影響較小，能保證電能質(zhì)量，但其輸出電壓波動(dòng)強(qiáng)烈，電流不穩(wěn)定，為更好的驅(qū)動(dòng)LED，還需設(shè)計(jì)可微調(diào)的穩(wěn)流電路。

恒流源電路原理與設(shè)計(jì)

串聯(lián)調(diào)整型穩(wěn)流電源電路框圖如圖2所示，包括調(diào)整管、采樣電阻、基準(zhǔn)電壓、誤差比較放大器和輔助電源等部分。電流取樣電阻RS比穩(wěn)流電源整個(gè)回路中的輸入電阻小很多，則負(fù)載電流IL幾乎全部流過(guò)電流取樣電阻RS，使RS阻值穩(wěn)定不變，則RS上的電壓降直接隨負(fù)載電流變化，穩(wěn)流電源的實(shí)質(zhì)就是穩(wěn)定取樣電阻RS上的電壓降US0。調(diào)整管在反饋信號(hào)的推動(dòng)下將輸出電流調(diào)節(jié)在設(shè)定的范圍內(nèi)，并保持基本不變。

當(dāng)負(fù)載電阻變化時(shí)會(huì)引起電流偏差，該偏差與反饋環(huán)路增益大小有關(guān)，增益越大，電流偏差就越小，但不可能為零。穩(wěn)流電源自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)路調(diào)節(jié)模式如圖3所示，穩(wěn)流電源的調(diào)節(jié)函數(shù)為：

恒流電源電路如圖4所示，采樣電阻RS把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并在誤差放大器與基準(zhǔn)電壓UREF比較放大，將輸出送入調(diào)整管VT的基極，驅(qū)動(dòng)VT對(duì)輸出電流I0的變化進(jìn)行補(bǔ)償校正。R0是輸出端的附加電阻，它的作用是避免當(dāng)調(diào)整管功率過(guò)大或者負(fù)載較輕時(shí)，比較大的ICC0將迫使輸出端電壓達(dá)到整流電壓所能供給的最大值而引起嚴(yán)重過(guò)電壓。
基準(zhǔn)電壓UREF是重要的組成部分，它的好壞直接影響電流源輸出的穩(wěn)定性，應(yīng)選用低溫度系數(shù)的穩(wěn)壓管做基準(zhǔn)電壓源，且要求穩(wěn)壓管溫度漂移小。另外需注意，驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)應(yīng)該把它們串聯(lián)，因?yàn)椴⒙?lián)時(shí)需要在每個(gè)支路中放置鎮(zhèn)流電阻，這會(huì)降低效率并導(dǎo)致電流失配。

LED驅(qū)動(dòng)電路制作與裝配

考慮到驅(qū)動(dòng)電路板宜封裝在燈管內(nèi)，在比較過(guò)分離元件和整合芯片的優(yōu)缺點(diǎn)后，整流電路部分選用能夠滿足單相不可控全橋整流功能的HD06芯片，它工作可靠，發(fā)熱量小，四引腳貼片封裝形式使其體積更小巧，可以方便地焊接在印刷電路板上，有利于縮小驅(qū)動(dòng)電路的體積。

恒流電路如果用分立元件制作，不但體積太大，而且可靠性不高，為滿足整體設(shè)計(jì)需要，選用基于上述穩(wěn)流電路原理制作的HA220XXP恒流源芯片，10引腳DIP封裝，它只需少量外圍器件，就可以在輸入直流電壓200V～350V范圍內(nèi)，輸出幾十毫安以內(nèi)、可由外圍器件調(diào)整的恒定電流。該芯片外配電路簡(jiǎn)潔，不需要電感和變壓器，電路組成部分體積小，可嵌入小體積LED燈具內(nèi)部，方便可靠。根據(jù)上述原理和元器件所設(shè)計(jì)的電路原理如圖5所示。

對(duì)HA220XXP恒流源芯片及其應(yīng)用電路的說(shuō)明如下：

1．左端為220V電流輸入，右端為可調(diào)節(jié)的直流恒流輸出，單路∑VF≤0.9VinDC，VF為每個(gè)LED的正向壓降。

2．20mA直流輸出時(shí)，串聯(lián)單路LED的總壓降即∑VF應(yīng)大于30V，則單路串接白色LED燈珠的數(shù)量：n=30V／3.15V≈10個(gè)。恒流源的最佳工作電壓范圍∑VF為150V～180V，容易算得帶白光LED燈珠的最佳個(gè)數(shù)為47～57個(gè)。

3．R2為啟動(dòng)電阻。阻值(KΩ)=0.5×輸入電壓值，功率為1／2W～1W，如當(dāng)Vin=220V時(shí)則R2應(yīng)選用110KΩ，考慮到電阻發(fā)熱對(duì)芯片的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將此電阻遠(yuǎn)離芯片；R3為補(bǔ)償電阻，使用10KΩ、功率為1／16W～1／8W的電阻。

4．C2為濾波電容，取值4.7μF；C1為平滑電容，一般使用100uF／10V～16V的電解電容。

5．恒流源芯片第一腳EN為使能端，懸空時(shí)使能有效，高電平時(shí)關(guān)斷，不允許接低電平。使用"使能端"對(duì)電路進(jìn)行通斷控制時(shí)，配合單片機(jī)可以增強(qiáng)所控制燈具的智能性，如光控、聲控開關(guān)，特殊信號(hào)報(bào)警等，有待進(jìn)一步開發(fā)利用。

根據(jù)電路原理圖、元件的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)熒光燈架的幾何尺寸，設(shè)計(jì)制作的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物如圖6所示，其功耗約為0.8W。焊接元器件時(shí)，為避免元器件特別是白光LED燈珠被靜電擊傷，應(yīng)嚴(yán)格采取防靜電措施。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比與性能分析
連接全部電路，LED燈珠插裝后焊接在長(zhǎng)條形基板上，驅(qū)動(dòng)電路用雙面膠帶粘貼于基板背面，然后裝入按國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃燈管，用標(biāo)準(zhǔn)的熒光燈堵頭封閉兩端，堵頭同時(shí)是220V交流電的輸入口，外觀和普通熒光燈相似。

評(píng)測(cè)照明燈具性能好壞有專門的指標(biāo)參數(shù)，主要使用了YF2006專業(yè)照度計(jì)測(cè)試對(duì)比LED燈管和普通熒光燈管的照明效果；用PF9800智能電量測(cè)量?jī)x測(cè)試二者的功耗差別和影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的其它參數(shù)。

照明效果的測(cè)試對(duì)比及分析

在暗室分別懸掛設(shè)計(jì)制作的額定功率為6W的LED燈管和額定功率為20W的普通熒光燈管，離光源1.5m用YF2006型照度計(jì)進(jìn)行照度參數(shù)對(duì)比。6W的LED燈管測(cè)試結(jié)果為32.891x，20W的普通熒光燈管測(cè)試結(jié)果為33.311x，兩者十分接近，且目測(cè)感覺LED照明燈的光線更為純正柔和，有利于保護(hù)視力。

電氣參量的測(cè)試與比較

電氣參量測(cè)試時(shí)使用智能電量測(cè)量?jī)xPF9800，測(cè)量精度較高，可以在四個(gè)窗口同時(shí)顯示通過(guò)負(fù)載的即時(shí)電壓、電流、功率和功率因數(shù)／頻率。同樣輸入工頻220V交流市電，LED燈管的電流為34mA，耗電為6.05W，功率因數(shù)為0.778，與理論設(shè)計(jì)值很接近；普通熒光燈通過(guò)電流為213mA，耗電量為20.88W，功率因數(shù)為0.419。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與總結(jié)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出LED燈管具有明顯的優(yōu)越性，結(jié)合電路設(shè)計(jì)原理和制作過(guò)程，總結(jié)如下：

1．節(jié)電效果十分明顯。6W的LED燈管和120W的普通熒光燈管流明數(shù)相當(dāng)，流過(guò)的電流小則電路上的雜散損耗相應(yīng)就小，LED燈管的電光功率轉(zhuǎn)換接近100％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在相同照明效果下比熒光燈管節(jié)能70％以上。

2．綠色環(huán)保無(wú)污染。白光LED為固體冷光源，眩光小，無(wú)輻射，使用中不產(chǎn)生有害物質(zhì)(熒光燈易揮發(fā)汞蒸氣)，消除了污染環(huán)境的隱患；光譜中幾乎沒(méi)有紫外線和紅外線，利于減緩被照物老化速度，且照明效果最接近太陽(yáng)光，能較好反映照射物體的真實(shí)顏色；部分燈珠損壞可以及時(shí)替換，廢棄物無(wú)污染并可回收，能有效提高資源利用率。 3．使用壽命長(zhǎng)。LED由環(huán)氧樹脂固體封裝，抗震性好，不存在燈絲發(fā)熱易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，理論壽命為6萬(wàn)小時(shí)～10萬(wàn)小時(shí)，是傳統(tǒng)光源使用壽命的5倍以上；且LED性能穩(wěn)定，可在-30℃～+50℃環(huán)境下正常工作。

4．LED燈管不需要鎮(zhèn)流器和啟輝器，減少了照明環(huán)境的電磁污染和噪聲污染；與普通熒光燈管相比，功率因數(shù)大大提高，有利于保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，對(duì)解決日益嚴(yán)重的電磁污染問(wèn)題意義重大。

結(jié)語(yǔ)

LED產(chǎn)品的開發(fā)、研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，而電能變換技術(shù)是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。這兩者結(jié)合應(yīng)用于電氣節(jié)能研究是建立節(jié)約型社會(huì)的一個(gè)重要方面，具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果。全國(guó)每年有20％以上的電能用于照明，如果傳統(tǒng)照明燈具都能夠改換為綠色節(jié)能產(chǎn)品，則電能節(jié)約量是十分可觀的；綠色環(huán)保的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和節(jié)能手段的創(chuàng)新研究對(duì)社會(huì)發(fā)展亦有重要意義。