新型交流LED照明方法

杨永栋 刘 桥 周 骅

(贵州大学理学院，贵州贵阳 550025)

1 前言

随着能源危机的日益严重，LED作为绿色照明负载正迅速占领市场。而由于开关电源体积小、功耗小、效率高、适应电压范围宽，所以目前市场上的LED灯大部分都采用传统的开关电源进行驱动。但是开关电源无法突破大功率的瓶颈，且电磁干扰非常严重，导致其应用前景暗淡无光。针对这些问题，本文详细分析了交流LED负载的各种特性，并针对这种特性提出了一种全新的驱动方式。该方案结构简单，性能稳定，成本低廉，不仅解决了开关电源存在的问题，而且大幅度提高了LED灯的功率因素和电源效率。

2 交流LED介绍

目前，LED节能灯主要采用直流电驱动大功率直流LED负载的方式实现，所以必须利用AC/DC将市电转换为直流电。而AC/DC转换电路会产生严重的纹波电流，污染电网，并降低了电路的功率因素，使得LED驱动电路的成本居高不下［1］。而如果直接利用市电驱动交流LED负载，那么将不需要进行AC/DC变换，从而轻松解决了AC/DC转换电路所导致的一系列问题。

2.1 交流LED的结构

交流LED利用直流LED反向并联而成，其结构如图1所示。由图可以发现，交流LED的材料是直流LED的两倍，会导致LED的成本剧增，而且交流LED 是两路芯片分别工作在正负半周期，存在频闪的现象。

图1 交流LED负载的结构

为了克服交流LED的缺陷，由于LED芯片本身具有单向导通的特性，因此本文提出了一种桥式整流结构的交直流LED，其结构如图2所示。其中Da，Db，Dc，Dd四个LED芯片组成桥式电路，在交流电源的驱动下，Da，Dd与Db，Dc分别工作在正负半周期，D1……Dn工作在全波状态下。由于D1……Dn一直处于工作状态，所以频闪的现象会因为余辉的作用得以减轻。相对于交流LED一直有50%的芯片处于熄灭状态而言，交直流LED只有2颗芯片处于熄灭状态，极大程度上提高了LED芯片的使用率，缓解了交流LED负载成本过高的矛盾。

图2 交直流LED负载的结构

2.2 交流LED的特性

由交流LED的结构可知，其两路灯芯分别工作在正、负周期，工作电压由市电 Vcc=220 槡2 sin100πt提供，本文以韩国某公司生产的高压交流LED为例。

电压特性:当输入电压小于交流LED两端额定电压时，V(LED)≈Vac;当输入电压大于交流LED两端额定电压时，需要通过其他电子元件进行降压，所以:V(LED) ＜Vac。

电流特性:电路回路的电流随着交流LED两端的电压的增大而增大，但是由于LED存在导通沟，所以电流的宽度略小于电压宽度。

交流LED工作时的电压及电流特性曲线如图3所示。

图3 交流LED特性曲线

对于LED两端的电压进行分析:当输入电压V=Vi*sin100πt的峰值小于LED额定电压时，LED两端电压的有效值为:反之，LED两端的电压波形会出现削峰失真如图4所示。

图4 交流LED负载两端电压波形

图5 电路回路中的电流波形

此时，LED两端电压的有效值为:

对于回路中的电流进行分析:当回路中电流I=Ii*sin100πt的峰值小于LED额定电流时，回路中电流的有效值为:反之，回路中电流波形会出现削峰失真如图5所示。

此时电路中的电流有效值应为:

而当Ii随着电压的升高增大到Ii'时，电路中的电流有效值变为:

由上述公式及图五可以得出:I有效值＜ I有效值'，因此可以得出结论:电路中的恒流元件只能起到对交流电流的限幅作用，所以电路中的电流有效值还是会随着电压的变化而变化，与直流LED的电流恒定有着本质的区别。

3 交流LED供电电路

根据交流LED的特性可知:交流LED负载必须工作在额定的电压及电流范围内。因此，在电压变化的情况下，交流LED的驱动电路要求能够提供稳定的电流，并且保障LED两端的电压在额定电压范围之内。所以交流LED驱动电路中必须包含恒流元件，而且要求具有很宽的工作电压范围。而恒流二极管正具有恒定电流稳定、工作电压范围宽等特点。

3.1 恒流二极管的特性

2DHL系列恒流二极管是一种硅材料制造的基础电子器件，具有单向导通性，输出的恒定电流大(1mA～80mA)，精度高，启动电压低 (3V～3.5V)，恒流电压范围宽 (25V～100V)，响应时间快 (tr＜50ns，tf＜70ns)等优点。恒流二极管按照正负极性接入电路中后，回路即可达到恒流的效果，应用简单，实现了电路理论和电路设计中的二端恒流源［2］。2DHL系列恒电流二极管输出特性曲线如图6所示，实际测量曲线图如图7所示。

图6 恒流管输出特性曲线

图7 实际测量曲线

由图7可见，一旦达到恒流管的启动电压，恒流管能够在很宽的电压范围内起到非常好的恒流作用，从而能够保障交流LED安全地工作，因此可以直接利用由恒流二极管组成的供电模块为交流LED供电。由于恒流二极管输出的恒定电流大，所以可以直接驱动负载，而为了获得更大的电流可以将多个恒流管并联使用。

3.2 基于恒流二极管的交流LED供电电路

利用恒流二极管设计的交流LED驱动电路如图8所示，HVLED为高压交流LED负载。该电路由220V市电供电，通过由电阻、恒流二极管、二极管组成的供电模块直接驱动高压交流LED负载。电阻R1和R2所在的支路分别工作在正、负半个周期内，为LED负载提供稳定的电流。由于在一个周期内，电路中所有的元件都只工作半个周期，所以元件的功耗降低，有利于减轻元件的散热问题，以及提高电路的寿命。

图8 基于恒流二极管的交流LED驱动电路

因为电路由市电直接驱动，恒流二极管工作在交流状态下，所以当恒流管两端的压降低于启动电压时，恒流管不工作;而当压降达到启动电压时，恒流管开始恒流，因此恒流二极管只在进入工作区(压降大于启动电压)时对电路进行恒流［3］。对于整个电路而言，恒流二极管的作用就是限流，即限制电路中电流的峰值，从而保护LED负载安全工作。该作用体现到负载就是负载两端的电压出现削峰现象。通过示波器测得的LED负载两端的电压波形如图9所示，与交流LED的电压特性完全吻合。

图9 高压交流LED负载两端的电压波形

由于恒流二极管具有很宽的工作电压，所以当电压升高时，恒流管还有为LED负载分压的作用。二极管则是利用其单向导电的特性，防止支路中的反向电流过大而击穿恒流二极管，从而保护恒流二极管正常工作。

电路中电阻R1和R2的主要作用是为恒流二极管调节合适的工作点。如果电阻阻值偏大，恒流二极管会因为压降不够而无法进入恒流区，导致回路的电流偏小;电阻阻值偏小，恒流二极管则因两端压降过大而容易烧毁;因此根据LED负载选择合适的电阻是保障电路能够正常工作的必要条件。

本设计使用的LED负载是韩国某公司生产的高压交流LED，其额定工作电压为190V(rms)，额定工作电流为22mA(rms)。根据负载的指标，由电路结构可以计算出电阻的理论阻值，其中恒流二极管的工作电压一般为5V～8V，二极管的压降为0.7V。电阻阻值R和电源效率η的计算方法为:

由 (5)式可以发现，该电路的电源效率主要决定于电阻两端的压降。电阻阻值变大时，电源效率变低，但是当市电电压升高时，回路电流增大，电阻的压降增大，为LED负载和恒流二极管分担更多的压降，保护电路稳定工作，提高了电路的安全性;反之，电阻阻值变小时，电源效率变高，而电路的安全性降低。

3.3 实验结果及分析

根据电路制作出的5W-LED灯的电路板如图10所示。该电路结构简单，电路板面积小，而且为了实现大功率的LED节能灯时，只需要将多个5WLED灯并联在一起即可。基于这一特点，本论文对5W-LED灯进行了模块化设计，将不同数量的模块组合即可得到任意功率的LED节能灯。已经设计实现了各种不同功率的LED节能灯，其中45W-LED灯的电路板如图11所示。

图10 5W-LED灯的电路板

图11 45W-LED灯的电路板

通过对不同功率的电路板进行测试，得到电路的一些基本技术参数如表1所示。表中的工作电压及回路电流都是交流有效值，灯珠是指韩国某公司生产的高压交流LED负载。

表1 不同功率LED节能灯测试结果

由表中的数据可以发现:(1)在市电20%的正常波动 (180V～250V)范围内，电路可以正常工作;(2)电源效率可以轻松达到88%的高效率，极大地提高了电源的利用率;(3)电路的功率因素能够达到90%，相对于其他LED驱动电源有着明显的优势［4］;(4)由于电路中不存在电磁储能元件，没有电磁辐射，同时电流波形畸变非常小，且谐波很小 (＜0.5%)，不会对电网造成污染，属于绿色照明 (绿色负载);(5)可以由小功率LED模块并联成大功率的LED，方式简单;(6)恒流二极管在电路中起限流作用，不同于直流工作状态的恒流作用。

通过实验验证，不同功率的LED节能灯都能正常工作，光源没有频闪现象，而且都通过了温度、显色指数等指标测试。由于该设计中的驱动电路和LED负载都集成在一块电路板上，且多个模块并联即可实现大功率LED节能灯，具有很好的密封性能，所以通过该设计实现的节能灯可以应用在路灯、隧道灯、机场、足球场、航海、航空等需要高亮度、高功率的室外照明上。相对于传统的LED节能灯，该设计存在的唯一缺点就是高压交流LED成本过高，但是随着LED制造技术、封装技术水平的提高，生产出高性能、低成本的高压交流LED一定会在不久的将来实现。

4 结语

本文设计的基于恒流二极管的交流LED驱动电路，改变了传统的LED驱动电路的设计方法，基于交流电源驱动交流负载的原则，通过恒流二极管的限流作用保护LED负载工作在额定电流内。该电路具有结构简单，成本低廉，电源效率高，功率因素高，且不对电网造成任何污染等优点。对于解决传统LED驱动电源成本过高，很难驱动大功率 (大于300W)LED，以及节能灯寿命指标低等问题是十分有利的。该设计对LED节能灯的发展有着积极的推动作用。

［1］周骅，刘桥.基于恒电流二极管的LED驱动电路设计［J］.贵州大学学报 (自然科学版)，2011(6):87～90.

［2］煜立公司.2DHM/2DHL/2THL系列半导体电流调整管(恒流管) 产品手册 ［M］.2011.

［3］尹杰，邱云峰.基于恒流二极管的小功率LED驱动电路设计 ［J］.井冈山大学学报 (自然科学版)，2010(9):79～82.

［4］马存云.几款市电供电的低成本LED驱动电路 ［J］.光源与照明，2007(4):19～21.