節能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，內含汞蒸汽，燈管易碎，安全性差，一旦碎裂，對環(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(xiàn)等不可見(jiàn)光，不但降低了照明效率，而且紫外線(xiàn)加速皮膚、紙張、文物等的老化；熒光燈必需的啟輝器和鎮流器會(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是由超導發(fā)光晶體產(chǎn)生超高強度的燈光，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太多電量；LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，發(fā)光效率可達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，結構堅固，工作電壓低，不像霓虹燈那樣要求高電壓而容易損壞，是全球公認的環(huán)保節能型光源。

高亮白光LED是電流驅動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅щ娖骷?，?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/驅動(dòng)">驅動(dòng)有直流控制、效率高、有過(guò)壓保護、尺寸小巧和簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)?？紤]到用市電驅動(dòng)對用戶(hù)最方便，本文結合電力電子整流與恒流技術(shù)設計制作了一款綠色環(huán)保高效節能的LED照明燈，它節電效果明顯，消減了傳統照明光源的缺點(diǎn)，并可以直接在熒光燈架上使用(啟輝器拆除，鎮流器拆除與否對LED發(fā)光效果沒(méi)有影響)。

驅動(dòng)電路的原理與設計制作

220V工頻單相交流市電需要轉換為單路18mA～20mA的恒定直流才能驅動(dòng)LED燈。因此驅動(dòng)電路設計為交直流轉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)恒流源驅動(dòng)串聯(lián)的LED燈珠，恒流源可以消除正向電壓變化所導致的電流變化，最終使LED產(chǎn)生恒定的亮度。

單相橋式整流電路原理與設計

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)強烈，電流不穩定，為更好的驅動(dòng)LED，還需設計可微調的穩流電路。

恒流源電路原理與設計

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

當負載電阻變化時(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。穩流電源自動(dòng)閉環(huán)調節環(huán)路調節模式如圖3所示，穩流電源的調節函數為：

恒流電源電路如圖4所示，采樣電阻RS把回路電流轉換成電壓信號，并在誤差放大器與基準電壓UREF比較放大，將輸出送入調整管VT的基極，驅動(dòng)VT對輸出電流I0的變化進(jìn)行補償校正。R0是輸出端的附加電阻，它的作用是避免當調整管功率過(guò)大或者負載較輕時(shí)，比較大的ICC0將迫使輸出端電壓達到整流電壓所能供給的最大值而引起嚴重過(guò)電壓。
基準電壓UREF是重要的組成部分，它的好壞直接影響電流源輸出的穩定性，應選用低溫度系數的穩壓管做基準電壓源，且要求穩壓管溫度漂移小。另外需注意，驅動(dòng)多個(gè)LED時(shí)應該把它們串聯(lián)，因為并聯(lián)時(shí)需要在每個(gè)支路中放置鎮流電阻，這會(huì )降低效率并導致電流失配。

LED驅動(dòng)電路制作與裝配

考慮到驅動(dòng)電路板宜封裝在燈管內，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(mǎn)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(mǎn)足整體設計需要，選用基于上述穩流電路原理制作的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，輸出幾十毫安以?xún)?、可由外圍器件調整的恒定電流。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燈具內部，方便可靠。根據上述原理和元器件所設計的電路原理如圖5所示。

對HA220XXP恒流源芯片及其應用電路的說(shuō)明如下：

1．左端為220V電流輸入，右端為可調節的直流恒流輸出，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應大于30V，則單路串接白色LED燈珠的數量：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Vin=220V時(shí)則R2應選用110KΩ，考慮到電阻發(fā)熱對芯片的影響，設計時(shí)應盡量將此電阻遠離芯片；R3為補償電阻，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。使用使能端對電路進(jìn)行通斷控制時(shí)，配合單片機可以增強所控制燈具的智能性，如光控、聲控開(kāi)關(guān)，特殊信號報警等，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用。

根據電路原理圖、元件的特點(diǎn)以及傳統熒光燈架的幾何尺寸，設計制作的驅動(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，應嚴格采取防靜電措施。

實(shí)驗對比與性能分析
連接全部電路，LED燈珠插裝后焊接在長(cháng)條形基板上，驅動(dòng)電路用雙面膠帶粘貼于基板背面，然后裝入按國標標準設計的有機玻璃燈管，用標準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(guān)和普通熒光燈相似。

評測照明燈具性能好壞有專(zhuān)門(mén)的指標參數，主要使用了YF2006專(zhuān)業(yè)照度計測試對比LED燈管和普通熒光燈管的照明效果；用PF9800智能電量測量?jì)x測試二者的功耗差別和影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的其它參數。

照明效果的測試對比及分析

在暗室分別懸掛設計制作的額定功率為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型照度計進(jìn)行照度參數對比。6W的LED燈管測試結果為32.891x，20W的普通熒光燈管測試結果為33.311x，兩者十分接近，且目測感覺(jué)LED照明燈的光線(xiàn)更為純正柔和，有利于保護視力。

電氣參量的測試與比較

電氣參量測試時(shí)使用智能電量測量?jì)xPF9800，測量精度較高，可以在四個(gè)窗口同時(shí)顯示通過(guò)負載的即時(shí)電壓、電流、功率和功率因數／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，功率因數為0.778，與理論設計值很接近；普通熒光燈通過(guò)電流為213mA，耗電量為20.88W，功率因數為0.419。

實(shí)驗結果分析與總結

通過(guò)上述實(shí)驗對比可以看出LED燈管具有明顯的優(yōu)越性，結合電路設計原理和制作過(guò)程，總結如下：

1．節電效果十分明顯。6W的LED燈管和120W的普通熒光燈管流明數相當，流過(guò)的電流小則電路上的雜散損耗相應就小，LED燈管的電光功率轉換接近100％，實(shí)驗結果表明在相同照明效果下比熒光燈管節能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(xiàn)和紅外線(xiàn)，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(cháng)。LED由環(huán)氧樹(shù)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)，是傳統光源使用壽命的5倍以上；且LED性能穩定，可在-30℃～+50℃環(huán)境下正常工作。

4．LED燈管不需要鎮流器和啟輝器，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，功率因數大大提高，有利于保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，對解決日益嚴重的電磁污染問(wèn)題意義重大。

結語(yǔ)

LED產(chǎn)品的開(kāi)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)是應用功率半導體器件，綜合電力變換技術(shù)、現代電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)。這兩者結合應用于電氣節能研究是建立節約型社會(huì )的一個(gè)重要方面，具有明顯的節能和環(huán)保效果。全國每年有20％以上的電能用于照明，如果傳統照明燈具都能夠改換為綠色節能產(chǎn)品，則電能節約量是十分可觀(guān)的；綠色環(huán)保的產(chǎn)品設計理念和節能手段的創(chuàng )新研究對社會(huì )發(fā)展亦有重要意義。