LED照明特點及其驅動器類型

半導體照明與一般光伏電源配用的節(jié)能燈泡相比具有節(jié)能、長壽、安全、環(huán)保、色彩豐富、體積小、耐閃爍、可靠性高、調(diào)控方便等諸多優(yōu)點。發(fā)光二極管作為一種新型照明光源正在獲得越來越廣泛的應用。

一、半導體照明特點

電子元件二極管中半導體發(fā)光二極管是常用的一種類型。發(fā)光二極管又稱為光發(fā)射二極管(LightEmittingDiode,簡寫為LED)，是一種可將電能變?yōu)楣饽艿囊环N器件，屬于固態(tài)光源。LED是半導體器件通過PN結實現(xiàn)電光轉換，它有如下的特點：

(一)壽命長，響應快

一般來說，普通白熾燈的壽命約為1000h,熒光燈壽命約10000h,而LED的壽命可達2--10萬h,可見壽命長的多。LED發(fā)光的相應快，它的相應時間為納秒級，熒光燈為0.1ms,日光燈一般為毫秒級。

(二)體積小，結構牢固

LED是用環(huán)氧樹脂封裝固態(tài)光源，其結構既不像白熾燈有玻璃泡、燈絲等易損壞部件，也不象熒光燈有體積大的燈管和附件，它是一種全固態(tài)結構，因此能經(jīng)得起震動、沖擊而不至損壞，而且體積也相對減小，重量也輕，成本低。綜上所述，LED是一種符合綠色照明要求的光源。

(三)安全、節(jié)能、不引起環(huán)境污染

發(fā)光二極管的正向工作電壓低，為(1.5-3.0)V,工作電流小，為(5-150)MA,由此工作安全性好。LED在發(fā)光過程中，只有很少一部分的電能變?yōu)闊崮?，大部分都變?yōu)榱斯饽埽雽w燈采用發(fā)光二極管作為新光源，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其耗電量僅為后者的十分之一，因此能耗小。隨著技術的進步，它將成為一種新型的照明光源。目前白光LED的光效已經(jīng)達到401m/W,優(yōu)于白熾燈，次于熒光燈(60lm/w~200lm/W)。此外，現(xiàn)在使用的白熾燈工作的過程中，發(fā)出過多的熱量，影響環(huán)境溫度;而廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康的汞。這樣在發(fā)光過程和廢棄的燈管都會對人體的人身健康和環(huán)境造成危害。而LED則沒有這些問題，是一種無污染的光源。

二、控制電路主要功能和結構

控制電路要實現(xiàn)的主要功能是：第一通過控制，實現(xiàn)能量的傳遞，要求保證兩個晶體管的驅動脈沖寬度要高等，使正、反向平均磁通相等，不產(chǎn)生偏磁;起動時，一定要限制脈寬，即必須要軟起動，使脈寬在啟動最初若干個周期中慢慢上升;防止直通;第二輸入與輸出要隔離;第三輸出電壓穩(wěn)定;第四電路的過流保護;

白色發(fā)光LED照明特點及其驅動器類型

控制電路結構框圖如圖1所示，PWM控制部分實現(xiàn)占空比大范圍可調(diào)，即輸出電壓大范圍可調(diào)，為了防止晶體管直通，占空比要小于45%.因此選擇TL494做為控制電路的主要元件。

三、驅動方式

實際制作半導體燈時，常常使用多只發(fā)光管，這就有個發(fā)光管的連接方式問題。對于發(fā)光管來說，應該優(yōu)先選用串聯(lián)連接。

白色發(fā)光LED照明特點及其驅動器類型

發(fā)光管的管壓降呈現(xiàn)負的溫度系數(shù)，直接并聯(lián)。各并聯(lián)發(fā)光管管壓降不可能完全相同，這樣并聯(lián)管之間的電流就會略有差異，使用時管壓降略低的管電流略大，其溫升就會比其他相并聯(lián)的管高，溫升高的管管壓降會降低的比較多，這樣就導致其電流進一步加大，電流大引起更大的溫升，使其管壓降進一步降低，如此熱/電正反饋使電流逐漸向管壓降小的發(fā)光管偏移，最終導致其失效。因此，應該優(yōu)先串聯(lián)使用發(fā)光管。串聯(lián)使用只有一個問題，即一只LED不亮導致此路其他發(fā)光管都不亮。但實際使用證明，在驅動電流正常的情況下，即使發(fā)光管自身發(fā)生故障一般也保持通路狀態(tài)，其他發(fā)光管照樣亮。如果驅動器損壞大電流沖擊燒毀發(fā)光管，常常會使發(fā)光管內(nèi)部引線燒斷開路，但是，驅動器都壞了就是發(fā)光管并聯(lián)整個燈也不亮了。所以還是應該優(yōu)先選用發(fā)光管串聯(lián)結構。如果使用的管數(shù)較多時全部串聯(lián)不可能，也只好連串帶并，但各串并聯(lián)管之間必須要有均流措施，最簡單的均流措施就是在每一串并聯(lián)管中串聯(lián)一個電阻n牽制電流的偏移。電阻上的壓降太大，使功耗增加，壓降太小則均流效果不好，一般可以取串聯(lián)LED燈總壓降的5%左右。

四、LED驅動器分類

實際應用中驅動器按照工作特點可以分為兩大類：直流供電的驅動器和交流供電的驅動器。

(一)直流驅動器

直流驅動器使用直流電供電，根據(jù)不同的應用可以有串聯(lián)降壓型;升壓型：變換器型三種電路結構。

1、直流降壓型驅動器

直流降壓型驅動器的基本原理是用開關器件配合電抗性器件對外界電源降壓限流以后驅動發(fā)光管工作。串聯(lián)降壓型驅動器結構簡單，變換效率比較高。串聯(lián)降壓驅動器比較適合用于輸入電壓和負載管壓降差別不太大的情況下驅動發(fā)光管。這種驅動器的主要缺點是一旦主開關器件損壞大電流會直接通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。顯而易見，這種方案當供電電壓低于負載管壓降時不能使用。

2、直流升壓型驅動器

直流升壓型驅動器的基本原理是用開關器件配合電抗性器件儲能升壓限流的方式工作的。升壓驅動器的變換效率也比較高。這種方案制作的驅動器的一個顯著的優(yōu)點是自身出現(xiàn)故障時不會損壞發(fā)光管。升壓型驅動器只能用在負載管壓降始終高于電源電壓的情況。如果負載管壓降低于電源電壓驅動器會失控，大電流直接經(jīng)過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀。輸入直流低電壓時所用的發(fā)光管數(shù)量少可以選用降壓驅動器也可以選用升壓驅動器，盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管。如果發(fā)光管數(shù)量多應該選用升壓驅動器，也是盡量串聯(lián)不并聯(lián)或者少并聯(lián)發(fā)光管。
 

3、直流變換器型驅動器

變換器型驅動器n町用開關器件配合高頻變壓器實現(xiàn)能量從初級到次級的傳輸，同時做電壓/電壓變換驅動發(fā)光二極管工作。這種驅動器輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設計，應用靈活，適合用在供電電壓在負載管壓降附近波動的情況，也適合供電電壓和負載管壓降差別很大的情況。其缺點是電路復雜，變換效率比以上兩種類型的驅動器略低。如果輸入直流高電壓驅動小功率管可以用串聯(lián)降壓驅動器，驅動大功率管從安全角度考慮應該選用變換器結構的驅動器。

(二)交流驅動器

交流驅動器使用交流市電供電，根據(jù)不同的應用也分為降壓型、升壓型、變換器型三種電路類型。交流驅動器和直流驅動器的區(qū)別除了需要對輸入的交流電做整流濾波之外，從安全角度考慮還存在一個隔離和不隔離的問題。

1、交流串聯(lián)降壓型驅動器

交流串聯(lián)降壓型驅動器n31把輸入的交流市電整濾波后直接用開關器件和電抗性器件對輸入的高電壓進行降壓限流。這種驅動器和直流降壓驅動器具有同樣的優(yōu)缺點，適合串聯(lián)驅動多只發(fā)光管。很顯然，這種電路結構屬于不隔離電路，使用時應注意安全，制作的燈具發(fā)光二極管的引線也不能在外部裸露。由于這種電路主開關管損壞時打電流會通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此，高電壓輸入串聯(lián)驅動多只大功率發(fā)光管時要謹慎使用。

2、交流升壓型驅動器

交流升壓型驅動器把輸入的交流市電整濾波后直接用開關器件和電抗性器件對輸入的高電壓進行升壓限流。這種驅動器和直流升壓驅動器具有同樣的優(yōu)、缺點。但是，直接市電輸入時輸入的電壓較高，220交流勢電需要整流升壓到直流電壓400伏以上，負載的發(fā)光管需要串聯(lián)125只以上白光或者藍光發(fā)光管才能保證在電源電壓有較大波動時安全工作。由于這種驅動器當負載管壓降低于輸入電壓時會失控使大電流直接通過發(fā)光管使發(fā)光管燒毀，因此也要謹慎使用。

3、交流變換器型驅動器

交流變換器型驅動器n明是把輸入的交流市電整流后經(jīng)過高頻變換變壓限流驅動發(fā)光二極管工作，這種驅動器有高頻變壓器做隔離，因此輸出端是安全的，并且輸出端的電壓不受輸入電壓的制約，可以按照所需要串聯(lián)的發(fā)光管數(shù)任意設計，應用靈活，其他優(yōu)缺點和直流變換器型驅動器相同。變換效率約90%.220伏交流市電輸入時驅動200只以下小功率管都可以考慮用串聯(lián)降壓驅動器，驅動200只以上小功率管應該選用升壓或者隔離驅動器。

(三)LED的直流驅動和脈沖驅動選擇

發(fā)光管發(fā)光靠電能激發(fā)，不管是直流驅動還是脈沖驅動，輸入的電能量決定了輸出的光能量，脈沖驅動不可能使發(fā)光管提高光效，相反，應該是直流驅動光效更高。因為發(fā)光管的輸入電流過大光通量隨電流增加的速度將變緩，發(fā)光管的管小降低。另外，過大的電流還會引起發(fā)光管發(fā)射的光譜向長波方向偏移，對于白光發(fā)光管來說，這將導致激發(fā)熒光粉效能的降低，使光效下降。所以，脈沖驅動不可能使發(fā)光管省電，但設計合理的脈沖驅動器也不會明顯的引起光效的下降，因此也就不會比直流驅動更明顯的費電。但是脈沖驅動器常常具有電路結構簡單生產(chǎn)成本低的特點，所以還是值得使用。因此，究竟用脈沖驅動還是用直流驅動要根據(jù)具體情況而定。如果用脈沖驅動發(fā)光管，一般不會縮短發(fā)光管的使用壽命發(fā)光管是一種量子器件適合高速工作，這正是發(fā)光管的優(yōu)點之一。如果有閃爍使用的發(fā)光管頻頻損壞，那應該是其他方面的原因引起的，電流過大等等，而不會

是發(fā)光管自身不耐閃爍。一般的驅動技術不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅動時，由于電流只有幾個MA,因此損耗不明顯當用作電流有幾百MA甚至更高的高亮LED的驅動時，功率電路的損耗就成了比較嚴重的問題。

五、結束語

隔離驅動雖然電路結構比不隔離驅動器略微復雜、驅動器體積也會增大、生產(chǎn)成本會提高，而不隔離驅動器結構簡單、生產(chǎn)成本低、體積也可以做得更小，但不隔離降壓驅動器的一個最大的危險是驅動器一旦損壞高電壓大電流會直接通過發(fā)光管是發(fā)光管損壞。因此，使用隔離驅動器較好。交流變換器型驅動器變換效率較高，從節(jié)能的角度來說，更有意義。