新型高功率LED驅(qū)動電路探索
逐漸取代傳統(tǒng)白熱燈泡與熒光燈的發(fā)光二極管(led),具備低污染、低消費電力、高發(fā)光效率、長壽命、無水銀成分等優(yōu)勢,它的發(fā)展動向已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點。最近幾年隨著LED發(fā)光效率甚至超越傳統(tǒng)熒光燈,一般認為未來提高照明燈具整體的綜合效率越來越重要,然而實際上不論是哪種型式的LED燈驅(qū)動電路,都會有10~20%左右的消費電力損失,因此改善電源的轉(zhuǎn)換效率,再度成為重要課題。
以往使用AC100V平順化后的DC140V電源方式,極容易發(fā)生突波電流。所謂「突波電流」突波電流是指開啟電源后,流入平順化電容器的巨大充電電流。具有平順化電容器、可以驅(qū)動復(fù)數(shù)個LED的驅(qū)動電路,點燈時可能會造成斷電器跳脫,此外電源切換器高溫融溶附著,以及對電路組件的過負載,都可能引發(fā)各種問題。雖然突波電流抑制電路已經(jīng)實用化,不過它的電源轉(zhuǎn)換效率卻很低,因此研究人員使用半導(dǎo)體繼電器(Photo MOS RELay),開發(fā)LED燈專用的驅(qū)動電路,實現(xiàn)LED驅(qū)動電路高效率化的目的。
根據(jù)實驗結(jié)果證實90~110V變動的電源電壓,電源轉(zhuǎn)換效率高達80.7~91.8%,而且還能夠降低突波電流。新型LED燈專用驅(qū)動電路,充分發(fā)揮2個半導(dǎo)體繼電器特性,它具有高效率、低消費電力、低組件數(shù)量、低產(chǎn)業(yè)廢棄物與低制作成本等特征。照明燈具即使提高1%的動作效率,對二氧化碳排放量的抑制、或是減緩地球暖化都有重大貢獻,因此LED燈專用的驅(qū)動電路的發(fā)展,已經(jīng)受到業(yè)者高度重視。接著本文要探討使用半導(dǎo)體繼電器突波電流抑制電路的新型LED燈驅(qū)動電路動作原理與特征。
LED驅(qū)動電路
圖1是新型LED燈專用驅(qū)動電路??紤]照明燈具整體效率時,電源效率與LED發(fā)光效率同樣重要?;旧螸ED的順向電壓只有數(shù)V非常低,因此LED燈可以使用各種方法,轉(zhuǎn)換AC100~110V電源驅(qū)動LED,然而LED燈專用驅(qū)動電路本身,就有各式各樣的特性與問題,接著根據(jù)電源效率的觀點,透過各種驅(qū)動電路的比較,深入探討各種驅(qū)動方式的特征。
驅(qū)動方式
驅(qū)動方式主要分成三大類,分別是:(1)降壓、分壓方式;(2)直接使用AC100~110V方式;(3)使用DC140V方式。
有關(guān)第(1)項降壓、分壓方式,本質(zhì)上LED的順向電壓非常低,因此可以使用變壓器降壓,或是使用平順化電容器降壓,類似這樣降壓、分壓方式,主要缺點是損失非常大,經(jīng)常高達10~20%。此外LED高輝度化時,必須提高輸出、增加電流,然而電流穩(wěn)定化卻需要使用電流穩(wěn)定化控制電路,其結(jié)果反而造成組件使用數(shù)量、制作成本有增加之虞。
有關(guān)第(2)項,直接使用AC100~110V方式施加至LED燈群,由于這種方式?jīng)]有任電力何損失,因此它的電源效率幾乎是100%,目前所有交流驅(qū)動LED燈都采用這種方式。動作時它是直接對LED燈施加半波或是全波波形,由于這種方式并沒有平順化電路,因此輝度會急遽降低,嚴重時會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象,此外LED的使用數(shù)量高達2倍,即使如此下列驅(qū)動方式同樣會使全光束降低。
有關(guān)第(3)項使用非降壓DC方式,由于這種方式的AC100~110V未作降壓、分壓,直接進行全波整流、平順化取得DC140V的電源,因此電源效率非常高,可以施加到LED燈群的電壓也超過100V。非降壓DC方式通常是串聯(lián)連接LED,它可以獲得非常明亮的照明,不過這種方式使用大靜電容量的平順化電容器,因此會有許多突發(fā)電流流動。
驅(qū)動方式的比較
表1為上述驅(qū)動方式的比較結(jié)果一覽。
突波電流抑制電路
表1中的非降壓DC型驅(qū)動方式,主要缺點會有突波電流的困擾。如上所述所謂「突波電流」是指開啟電源后,流入平順化電容器的巨大充電電流。突波電流經(jīng)常成為斷電器跳脫、或是對電路組件造成過負載的主要原因,如圖2所示為抑制突波電流,類似電阻串聯(lián)連接至平順化電容器等方法都非常有效,然而突波電流是過渡期間發(fā)生的現(xiàn)象,過渡期間以外的恒定狀態(tài),抑制突波電流的電阻,反而會引發(fā)不必要的電力損失。為削減恒定狀態(tài)時的額外電力損失,以往大多使用熱敏型(Thermist)或是閘流體型(Thyristor)構(gòu)成的電流抑制電路,不過這類電路卻成為提升電源效率的主要障礙。
突波電流抑制電路的必要性
電荷未滯留在平順化電容器時,切換器一旦變成ON,為了滯留電荷會有很大的突波電流流動,反過來說無突波電流抑制電路的場合,理論上該值會變成無限大。新開發(fā)的電路會先使電源電壓以DC140V流入LED,接著再使用220μF使平順化電容器,能夠以最大電流155mA動作。
圖3是測試突波電流的實驗電路,根據(jù)測試結(jié)果顯示突波電流的最大值為36A。為測試電流本電路刻意附加1Ω的電阻,不過實際上卻是0Ω,換句話說可能有更多的電流流動,類似這樣過大電流流動會引發(fā)上述弊害,因此必須設(shè)置突波電流抑制電路。
各種突波電流抑制電路
傳統(tǒng)突波電流抑制電路大多使用熱敏型、閘流體型,或是半導(dǎo)體繼電器型,新開發(fā)的LED燈專用驅(qū)動電路,則改用半導(dǎo)體繼電型突發(fā)電流抑制電路。接著介紹各種突波電流抑制電路的特征。
熱敏型
使用熱敏型主要目的是取代突波電流抑制用電阻,所謂「熱敏型」是指連接熱敏電阻的方法。圖4是熱敏阻型抑制突波電流控制電路圖,動作原理突波電流造成溫度上升的同時,電阻熱敏的阻抗值會自動下降,如此就可以減少恒定狀態(tài)時的電力損失。不過這種方式切斷電源立即再開啟時,熱敏電阻的溫度受到預(yù)熱影響,會持續(xù)維持上升狀態(tài),因此同樣有發(fā)生大突波電流之虞。
閘流體型
閘流體型是將閘流體與突波電流抑制用電阻并聯(lián)設(shè)置,恒定狀態(tài)時使閘流體變成ON狀態(tài),在此同時使突發(fā)電流抑制用電阻旁通,藉此削減電力損失。圖5是閘流體型抑制突發(fā)電流控制電路圖,本電路為了使閘流體ON、OFF,必須使用控制電路與控制電路用電源。雖然這種方式可以削減突波電流抑制用電阻的電力損失,不過突波電流控制電路還本身會是會消費電力,因此效率實際上并不如預(yù)期理想,此外隨著組件使用數(shù)量增加,電路封裝面積與制作成本同樣有上升之虞。
半導(dǎo)體繼電器型
圖6是新開發(fā)的半導(dǎo)體繼電器型抑制突波電流控制電路圖,本電路使用半導(dǎo)體繼電器旁通突波電流抑制用電阻。半導(dǎo)體繼電器的消費電力很小,恒定狀態(tài)時的損失非常微量,若與LED燈單元并聯(lián)設(shè)置半導(dǎo)體繼電器的輸入端,就可以省略上述閘流體型的突波電流抑制電路用電源與控制電路,有效減少恒定狀態(tài)時的電力損失。此外半導(dǎo)體繼電器的輸入端與輸出端呈電氣性絕緣,因此電路設(shè)計很容易、電路結(jié)構(gòu)非常簡易,而且可以有效抑制電路封裝面積的增加。表2是以上三種突波電流控制電路的比較一覽。
動作特征
如圖1所示新型LED燈專用驅(qū)動電路是由下列單元構(gòu)成,分別是:電源單元、定電流電路單元、定電流電路單元、LED燈單元。電源單元如上所述,首先將AC100V作全波整流,接著進行平順化就能獲得DC140V,不過考慮AC100V±10V的變動,因此實際上會變成DC140V±10V。接著介紹:定電流電路的動作原理、突發(fā)電流抑制電路的動作原理、電源效率、啟動時間。
定電流電路的動作原理
圖7的定電流電路是圖1中LED穩(wěn)定驅(qū)動的定電流電
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