將 LED 應(yīng)用于照明電路的探討

LED|0">LED 具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了“半導(dǎo)體照明工程”，將其作為新一代的綠色照明光源來進(jìn)行開發(fā)。高亮度白色 LED 單體正常的工作電壓約為 3V ，將其用于交流電壓為 220V 的照明電路時(shí)，需要將數(shù)十只 LED 串聯(lián)使用。此時(shí) LED 本身的特性與交流電壓的波動(dòng)就成為了兩個(gè)不可忽略的因素。 LED 的動(dòng)態(tài)電阻很小，正常工作時(shí)，加在其兩端的電壓必須保持相對(duì)穩(wěn)定。例如：某型號(hào)φ 5mm 高亮度白色 LED ，正常工作時(shí)的電壓為 3.1V ，對(duì)應(yīng)的電流為 12mA ，而當(dāng)電壓增加到 3.2V 時(shí)，電流增加到 22mA ，其亮度卻增加無幾，當(dāng)電壓增加到 3.3V ，電流增加到 39mA 時(shí)， LED 很容易發(fā)熱燒壞。同時(shí)，由于元件參數(shù)的分散性，當(dāng)電壓增加時(shí)，各 LED 增加電流的差別有時(shí)會(huì)達(dá)到數(shù)倍之多。因此，在將數(shù)十只 LED 串聯(lián)使用時(shí)，控制通過 LED 的電流要比控制每一只 LED 兩端的電壓容易得多。

實(shí)際上，只要將通過這串 LED 的電流控制在。 10mA ～ 15mA ，則各個(gè) LED 兩端的電壓有少許差別并不影響其正常使用。

交流電壓的波動(dòng)對(duì)串聯(lián) LED 影響很大。

如圖 1 所示電路：假定 220V 的交流電經(jīng)過整流和濾波后在 C 上產(chǎn)生約 310V 的直流電壓，而每只 LED 的電壓為 3.1V ，那么 85 只串聯(lián)的 LED 上的電壓就是 263.5V ， R2 上的電壓為 46.5V ，通過 R2 的電流即通過 LED 串的電流為 46.5 ÷ 3.9=12mA ，這串 LED 正常工作。電阻上的電壓占總電壓的 15 ％，即電路的效率為 85 ％。由于電源電壓實(shí)際上存在著± 10 ％的波動(dòng)，當(dāng)交流電壓降到 198V 時(shí) ,C 上的直流電壓降到 279V 左右，這時(shí) LED 串上的電壓基本保持不變，而 R2 上的電壓降到 15.5V ，使通過 LED 串的電流減少到 4mA 左右，導(dǎo)致其亮度大幅度下降。如果交流電壓降到 190V 以下，還會(huì)出現(xiàn) LED 串不能發(fā)光的情況，所以這個(gè)電路不能用于正常波動(dòng)的交流電壓。為了適應(yīng)電源電壓的變化，可以增大 R2 的阻值，減少 LED 的個(gè)數(shù)。例如，將 R2 增大到 13k Ω， LED 減少到 50 只時(shí)，對(duì)應(yīng) 220V 交流電壓，通過 LED 的電流仍為 12mA ，而對(duì)應(yīng) 198V 交流電壓，通過 LED 的電流為 9.5mA ，這時(shí) LED 串的亮度變化不大。但此時(shí)，對(duì)應(yīng) 220V 的交流電壓，電阻 R2 上的電壓占到了總電壓的一半，即有一半的功耗被 R2 消耗。

為了提高電路的效率，可以利用電容器代替電阻來限制通過 LED 的電流。因?yàn)殡娙萜鲗?shí)際并不消耗電能，故能夠在保持一定的電壓適應(yīng)能力前提下提高電路的效率。在圖 2 所示電路中，交流電經(jīng) C1 降壓 ( 限流 ) ，并經(jīng)整流、濾波后為 54 只串聯(lián)的 LED 供電，通過 LED 串的電流約 12mA ，而 LED 串上的電壓降只有 170V 左右，所以當(dāng)電源電壓正常波動(dòng)時(shí)，通過 LED 串的電流變化也較小。只有當(dāng)交流電的電壓下降到 190V 以下時(shí)，通過 LED 串的電流才會(huì)降到 10mA 以下，而降到 130V 以下時(shí)， LED 串才會(huì)熄滅，其應(yīng)對(duì)交流電壓抗波動(dòng)的能力要比圖 1 的電路強(qiáng)。圖 2 電路的弊病在于：接通電源的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，且交流電除了存在正常的波動(dòng)之外，還夾雜著許多無規(guī)律的脈沖狀噪音干擾，而 C1 的抗脈沖干擾的能力很差，當(dāng)電路中出現(xiàn)噪音干擾時(shí)，也會(huì)有很大的浪涌電流通過 LED ，使之瞬間擊穿。雖然從理論上講， C2 對(duì)噪音干擾具有一定的吸收作用，但是實(shí)際上 C2 用的都是電解電容器，應(yīng)對(duì)噪音干擾的效果較差。

如果將 C2 換成聚丙烯電容或者在 C2 兩端并聯(lián)小容量的聚丙烯電容，情況會(huì)有所改觀。

還有一種電路，是通過電容分壓后直接用交流電點(diǎn)亮 LED 的，它也不能克服電容器的抗噪音干擾的能力差的缺點(diǎn)，同時(shí)僅當(dāng)交流電的瞬時(shí)值大于整個(gè) LED 串的導(dǎo)通電壓時(shí)，才有電流通過 LED ，即在交流電的一個(gè)周期內(nèi)，大部分時(shí)間 LED 并不發(fā)光。為了增加亮度，勢(shì)必要增加 LED 的數(shù)目，這顯然不太合適。

通過上述電路分析，可以得到如下的啟示：對(duì)于多只串聯(lián)的 LED 來說，用穩(wěn)定的電流供電要比用穩(wěn)定的電壓供電簡(jiǎn)單可靠。為了避免浪涌電流將 LED 瞬時(shí)擊穿，并兼顧電路的效率，可以用穩(wěn)流電源代替圖 1 中的限流電阻 R2 。穩(wěn)流電源的動(dòng)態(tài)電阻很大，與 LED 動(dòng)態(tài)電阻很小的特點(diǎn)恰好可以互補(bǔ)。據(jù)此筆者制作了圖 3 的電路， 220V 交流電經(jīng)過整流和濾波后產(chǎn)生約 3 。 10V 的直流電壓，經(jīng)過由 V1 與 V2 組成的互補(bǔ)型穩(wěn)流電源為 85 只串聯(lián)的白色高亮度 LED 供電。 V1 輸出的穩(wěn)定電流通過 D2 為 V2 提供基準(zhǔn)電壓， V2 輸出的穩(wěn)定電流通過 D1 為 V1 提供基準(zhǔn)電壓，且 V1 與 V2 各輸出 1 ／ 2 的穩(wěn)定電流，所以電路的穩(wěn)定度很高。 D1 、 D2 也使用白色高亮度 LED ， R2 、 R3 上的電壓約為 2 ． 4V ，調(diào)節(jié) R2 、 R3 的阻值可將通過 LED 串的電流控制在 10mA ～ 15mA 之間。在這里，穩(wěn)流電源相當(dāng)于一個(gè)可變電阻，它會(huì)隨著電源電壓的變化而改變其阻抗，使通過 LED 串的電流不至于發(fā)生太大的變化，當(dāng)交流電壓從 220V 降到 195V 時(shí)，其兩端的電壓從 46.5V 降到 8V 左右，而輸出的電流基本保持不變，同時(shí)它抗噪音干擾的效果也遠(yuǎn)好于電解電容器，很大的動(dòng)態(tài)電阻可以有效地抑制浪涌電流的產(chǎn)生。

筆者參考圖 3 的電路，制作的一個(gè) LED 臺(tái)燈，使用一年多從沒出現(xiàn)過任何意外。但是該電路仍然存在兩個(gè)問題：一是當(dāng)電壓從 195V 開始繼續(xù)下降時(shí)，它的亮度就會(huì)迅速減弱，進(jìn)而熄滅；二是穩(wěn)流電源是一個(gè)阻性負(fù)荷，仍會(huì)消耗一定的電能，在本電路中大約為 15 ％左右。

將圖 2 與圖 3 電路結(jié)合起來：利用 C1 的限流作用來適應(yīng)電源電壓的正常波動(dòng)，利用穩(wěn)流電源的大動(dòng)態(tài)電阻來抑制噪音干擾引發(fā)的浪涌電流，是一個(gè)不錯(cuò)的方法。據(jù)此得到圖 4 的電路：通過 LED 串的電流由 C1 控制在 12mA 左右，當(dāng)交流電壓為 220V 時(shí)， V1 、 V2 處于淺飽和狀態(tài)，穩(wěn)流電源上的電壓降約為 6V 左右；當(dāng)交流電壓大于 220V 時(shí)， V1 、 V2 進(jìn)入放大狀態(tài)，并發(fā)揮穩(wěn)流作用；而當(dāng)交流電中出現(xiàn)脈沖狀的噪音干擾時(shí)，穩(wěn)流電源就會(huì)作出反應(yīng)，將浪涌電流控制在 20mA 以內(nèi)，從而保證 LED 串不至被擊穿。圖 4 與圖 2 的電路性能相當(dāng)，但可靠性更高。由于 D1 、 D2 也是高亮度的白色 LED ，所以 LED 的總數(shù)仍為 54 只。