節(jié)能LED照明燈研制

引言

目前廣泛用于家庭、學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，含有大量紫外線等不可見光，不但降低了照明效率，而且紫外線加速皮膚、紙張、文物等的老化；熒光燈必需的啟輝器和鎮(zhèn)流器會產生電磁和噪聲污染，降低電網供電質量，增加照明環(huán)境污染。

LED是由超導發(fā)光晶體產生超高強度的燈光，采用電場發(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(jié)能型光源。

高亮白光LED是電流驅動的低電壓單向導電器件，其驅動有直流控制、效率高、有過壓保護、尺寸小巧和簡單易用的特點?？紤]到用市電驅動對用戶最方便，本文結合電力電子整流與恒流技術設計制作了一款綠色環(huán)保高效節(jié)能的LED照明燈，它節(jié)電效果明顯，消減了傳統(tǒng)照明光源的缺點，并可以直接在熒光燈架上使用(啟輝器拆除，鎮(zhèn)流器拆除與否對LED發(fā)光效果沒有影響)。

驅動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LED燈。因此驅動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，其輸出的直流電經過恒流源驅動串聯(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)點是換流電路諧波很少，對電網影響較小，能保證電能質量，但其輸出電壓波動強烈，電流不穩(wěn)定，為更好的驅動LED，還需設計可微調的穩(wěn)流電路。

恒流源電路原理與設計

串聯(lián)調整型穩(wěn)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(wěn)流電源整個回路中的輸入電阻小很多，則負載電流IL幾乎全部流過電流取樣電阻RS，使RS阻值穩(wěn)定不變，則RS上的電壓降直接隨負載電流變化，穩(wěn)流電源的實質就是穩(wěn)定取樣電阻RS上的電壓降US0。調整管在反饋信號的推動下將輸出電流調節(jié)在設定的范圍內，并保持基本不變。

當負載電阻變化時會引起電流偏差，該偏差與反饋環(huán)路增益大小有關，增益越大，電流偏差就越小，但不可能為零。穩(wěn)流電源自動閉環(huán)調節(jié)環(huán)路調節(jié)模式如圖3所示，穩(wěn)流電源的調節(jié)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VT對輸出電流I0的變化進行補償校正。R0是輸出端的附加電阻，它的作用是避免當調整管功率過大或者負載較輕時，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(wěn)定性，應選用低溫度系數的穩(wěn)壓管做基準電壓源，且要求穩(wěn)壓管溫度漂移小。另外需注意，驅動多個LED時應該把它們串聯(lián)，因為并聯(lián)時需要在每個支路中放置鎮(zhèn)流電阻，這會降低效率并導致電流失配。

LED驅動電路制作與裝配

考慮到驅動電路板宜封裝在燈管內，在比較過分離元件和整合芯片的優(yōu)缺點后，整流電路部分選用能夠滿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，為滿足整體設計需要，選用基于上述穩(wěn)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，輸出幾十毫安以內、可由外圍器件調整的恒定電流。該芯片外配電路簡潔，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明如下：

1．左端為220V電流輸入，右端為可調節(jié)的直流恒流輸出，單路∑VF≤0.9VinDC，VF為每個LED的正向壓降。

2．20mA直流輸出時，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。恒流源的最佳工作電壓范圍∑VF為150V～180V，容易算得帶白光LED燈珠的最佳個數為47～57個。

3．R2為啟動電阻。阻值(KΩ)=0.5×輸入電壓值，功率為1／2W～1W，如當Vin=220V時則R2應選用110KΩ，考慮到電阻發(fā)熱對芯片的影響，設計時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，懸空時使能有效，高電平時關斷，不允許接低電平。使用使能端對電路進行通斷控制時，配合單片機可以增強所控制燈具的智能性，如光控、聲控開關，特殊信號報警等，有待進一步開發(fā)利用。

根據電路原理圖、元件的特點以及傳統(tǒng)熒光燈架的幾何尺寸，設計制作的驅動電路實物如圖6所示，其功耗約為0.8W。焊接元器件時，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。

實驗對比與性能分析
連接全部電路，LED燈珠插裝后焊接在長條形基板上，驅動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，堵頭同時是220V交流電的輸入口，外觀和普通熒光燈相似。

評測照明燈具性能好壞有專門的指標參數，主要使用了YF2006專業(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智能電量測量儀測試二者的功耗差別和影響電網電能質量的其它參數。

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LED照明燈的光線更為純正柔和，有利于保護視力。

電氣參量的測試與比較

電氣參量測試時使用智能電量測量儀PF9800，測量精度較高，可以在四個窗口同時顯示通過負載的即時電壓、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；普通熒光燈通過電流為213mA，耗電量為20.88W，功率因數為0.419。

實驗結果分析與總結

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

1．節(jié)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％，實驗結果表明在相同照明效果下比熒光燈管節(jié)能70％以上。

2．綠色環(huán)保無污染。白光LED為固體冷光源，眩光小，無輻射，使用中不產生有害物質(熒光燈易揮發(fā)汞蒸氣)，消除了污染環(huán)境的隱患；光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，利于減緩被照物老化速度，且照明效果最接近太陽光，能較好反映照射物體的真實顏色；部分燈珠損壞可以及時替換，廢棄物無污染并可回收，能有效提高資源利用率。 3．使用壽命長。LED由環(huán)氧樹脂固體封裝，抗震性好，不存在燈絲發(fā)熱易燒、熱沉積、光衰等缺點，理論壽命為6萬小時～10萬小時，是傳統(tǒng)光源使用壽命的5倍以上；且LED性能穩(wěn)定，可在-30℃～+50℃環(huán)境下正常工作。

4．LED燈管不需要鎮(zhèn)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，有利于保證電網的供電質量，對解決日益嚴重的電磁污染問題意義重大。

結語

LED產品的開發(fā)、研制和生產已經成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產業(yè)，而電能變換技術是應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現代電力電子技術、自動控制技術的多學科邊緣交叉技術。這兩者結合應用于電氣節(jié)能研究是建立節(jié)約型社會的一個重要方面，具有明顯的節(jié)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(tǒng)照明燈具都能夠改換為綠色節(jié)能產品，則電能節(jié)約量是十分可觀的；綠色環(huán)保的產品設計理念和節(jié)能手段的創(chuàng)新研究對社會發(fā)展亦有重要意義。