浅析白光LED照明特点与驱动器类型之间的联系

   城市照明对改善城市人居环境、提高城市整体素质、推动内需、拉动城市夜间经济发挥了积极作用,为城市的社会效益、环境效益、经济效益做出了巨大贡献。目前城市照明(指景观照明和功能照明的统称)的年用电量约占全国总发电量的4-5%,城市照明节电,具有重要意义。普通的节能灯,寿命比较短,导致节电却不省钱。半导体照明 (semi -conductorlighting)是未来照明领域重要的发展方向。半导体照明与一般光伏 电源 配用的节能灯泡相比具有节能、长寿、安全、环保、色彩丰富、体积小、耐闪烁、可靠性高、调控方便等诸多优点。发光二极管作为一种新型照明光源正在获得越来越广泛的应用。

　　一、半导体照明特点

　　电子元件 二极管中半导体 发光二极管是常用的一种类型。发光二极管又称为光发射二极管(LightEmittingDiode,简写为LED ),是一种可将电能 变为光能的一种器件,属于固态光源。LED是半导体器件通过PN结 实现电光转换,它有如下的特点：

　　(一)寿命长,响应快

　　一般来说,普通白炽灯的寿命约为1000h,荧光灯寿命约10000h,而LED的寿命可达2--10万h,可见寿命长的多。LED发光的相应快,它的相应时间为纳秒级,荧光灯为0.1ms,日光灯一般为毫秒级。

　　(二)体积小,结构牢固

　　LED是用环氧树脂封装固态光源,其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件,也不象荧光灯有体积大的灯管和附件,它是一种全固态结构,因此能经得起震动、冲击而不至损坏,而且体积也相对减小,重量也轻,成本低。综上所述,LED是一种符合绿色照明要求的光源。

　　(三)安全、节能、不引起环境污染

　　发光二极管的正向工作电压低,为(1.5-3.0)V,工作电流小,为(5-150)MA,由此工作安全性好。LED在发光过程中,只有很少一部分的电能变为热能,大部分都变为了光能,半导体灯采用发光二极管作为新光源,在与普通白炽灯保持同样亮度 下,其耗电量仅为后者的十分之一,因此能耗小。随着技术的进步,它将成为一种新型的照明光源。目前白光LED 的光效 已经达到401m/W,优于白炽灯,次于荧光灯(60lm/w~200lm/W)。此外,现在使用的白炽灯工作的过程中,发出过多的热量,影响环境温度;而广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞。这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害。而LED则没有这些问题,是一种无污染的光源。

　　二、控制电路主要功能和结构

　　控制电路要实现的主要功能是：第一通过控制,实现能量的传递,要求保证两个晶体管 的驱动 脉冲宽度要高等,使正、反向平均磁通相等,不产生偏磁;起动时,一定要限制脉宽,即必须要软起动,使脉宽在启动最初若干个周期中慢慢上升;防止直通;第二输入与输出要隔离;第三输出电压稳定;第四电路的过流保护;

　　白色发光LED照明 特点及其驱动器类型

　　控制电路结构框图如图1所示,PWM 控制部分实现占空比大范围可调,即输出电压大范围可调,为了防止晶体管直通,占空比要小于45%.因此选择TL494做为控制电路的主要元件。

　　三、驱动方式

 　实际制作半导体灯时,常常使用多只发光管,这就有个发光管的连接方式问题。对于发光管来说,应该优先选用串联连接。

　　白色发光LED照明特点及其驱动器类型

　　发光管的管压降呈现负的温度系数,直接并联。各并联发光管管压降不可能完全相同,这样并联管之间的电流就会略有差异,使用时管压降略低的管电流略大,其温升就会比其他相并联的管高,温升高的管管压降会降低的比较多,这样就导致其电流进一步加大,电流大引起更大的温升,使其管压降进一步降低,如此热/电正反馈使电流逐渐向管压降小的发光管偏移,最终导致其失效。因此,应该优先串联使用发光管。串联使用只有一个问题,即一只LED不亮导致此路其他发光管都不亮。但实际使用证明,在驱动电流正常的情况下,即使发光管自身发生故障一般也保持通路状态,其他发光管照样亮。如果驱动器损坏大电流冲击烧毁发光管,常常会使发光管内部引线烧断开路,但是,驱动器都坏了就是发光管并联整个灯也不亮了。所以还是应该优先选用发光管串联结构。如果使用的管数较多时全部串联不可能,也只好连串带并,但各串并联管之间必须要有均流措施,最简单的均流措施就是在每一串并联管中串联一个电阻n牵制电流的偏移。电阻上的压降太大,使功耗增加,压降太小则均流效果不好,一般可以取串联LED灯 总压降的5%左右。

　　四、LED驱动 器分类

　　实际应用中驱动器按照工作特点可以分为两大类：直流供电的驱动器和交流供电的驱动器。

　　(一)直流驱动器

　　直流驱动器使用直流电供电,根据不同的应用可以有串联降压型;升压型：变换器型三种电路结构。

　　1、直流降压型驱动器

　　直流降压型驱动器的基本原理是用开关 器件配合电抗性器件对外界电源降压限流以后驱动发光管工作。串联降压型驱动器结构简单,变换效率比较高。串联降压驱动器比较适合用于输入电压和负载管压降差别不太大的情况下驱动发光管。这种驱动器的主要缺点是一旦主开关器件损坏大电流会直接通过发光管使发光管烧毁。显而易见,这种方案当供电电压低于负载管压降时不能使用。

　　2、直流升压型驱动器

　　直流升压型驱动器的基本原理是用开关器件配合电抗性器件储能升压限流的方式工作的。升压驱动器的变换效率也比较高。这种方案制作的驱动器的一个显着的优点是自身出现故障时不会损坏发光管。升压型驱动器只能用在负载管压降始终高于电源电压的情况。如果负载管压降低于电源电压驱动器会失控,大电流直接经过发光管使发光管烧毁。输入直流低电压时所用的发光管数量少可以选用降压驱动器也可以选用升压驱动器,尽量串联不并联或者少并联发光管。如果发光管数量多应该选用升压驱动器,也是尽量串联不并联或者少并联发光管。

　　3、直流变换器型驱动器

　　变换器型驱动器n町用开关器件配合高频变压器实现能量从初级到次级的传输,同时做电压/电压变换驱动发光二极管工作。这种驱动器输出端的电压不受输入电压的制约,可以按照所需要串联的发光管数任意设计,应用灵活,适合用在供电电压在负载管压降附近波动的情况,也适合供电电压和负载管压降差别很大的情况。其缺点是电路复杂,变换效率比以上两种类型的驱动器略低。如果输入直流高电压驱动小功率 管可以用串联降压驱动器,驱动大功率管从安全角度考虑应该选用变换器结构的驱动器。

　　(二)交流驱动器

　　交流驱动器使用交流市电供电,根据不同的应用也分为降压型、升压型、变换器型三种电路类型。交流驱动器和直流驱动器的区别除了需要对输入的交流电做整流滤波之外,从安全角度考虑还存在一个隔离和不隔离的问题。

　　1、交流串联降压型驱动器

　　交流串联降压型驱动器n31把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行降压限流。这种驱动器和直流降压驱动器具有同样的优缺点,适合串联驱动多只发光管。很显然,这种电路结构属于不隔离电路,使用时应注意安全,制作的灯具发光二极管的引线也不能在外部裸露。由于这种电路主开关管损坏时打电流会通过发光管使发光管烧毁,因此,高电压输入串联驱动多只大功率发光管时要谨慎使用。

　　2、交流升压型驱动器

　　交流升压型驱动器把输入的交流市电整滤波后直接用开关器件和电抗性器件对输入的高电压进行升压限流。这种驱动器和直流升压驱动器具有同样的优、缺点。但是,直接市电输入时输入的电压较高,220交流势电需要整流升压到直流电压400伏以上,负载的发光管需要串联125只以上白光或者蓝光 发光管才能保证在电源电压有较大波动时安全工作。由于这种驱动器当负载管压降低于输入电压时会失控使大电流直接通过发光管使发光管烧毁,因此也要谨慎使用。

　　3、交流变换器型驱动器

　　交流变换器型驱动器n明是把输入的交流市电整流后经过高频变换变压限流驱动发光二极管工作,这种驱动器有高频变压器做隔离,因此输出端是安全的,并且输出端的电压不受输入电压的制约,可以按照所需要串联的发光管数任意设计,应用灵活,其他优缺点和直流变换器型驱动器相同。变换效率约90%.220伏交流市电输入时驱动200只以下小功率管都可以考虑用串联降压驱动器,驱动200只以上小功率管应该选用升压或者隔离驱动器。

　　(三)LED的直流驱动和脉冲驱动选择

　　发光管发光靠电能激发,不管是直流驱动还是脉冲驱动,输入的电能量决定了输出的光能量 ,脉冲驱动不可能使发光管提高光效,相反,应该是直流驱动光效更高。因为发光管的输入电流过大光通量 随电流增加的速度将变缓,发光管的管小降低。另外,过大的电流还会引起发光管发射的光谱向长波方向偏移,对于白光发光管来说,这将导致激发荧光粉效能的降低,使光效下降。所以,脉冲驱动不可能使发光管省电,但设计合理的脉冲驱动器也不会明显的引起光效的下降,因此也就不会比直流驱动更明显的费电。但是脉冲驱动器常常具有电路结构简单生产成本低的特点,所以还是值得使用。因此,究竟用脉冲驱动还是用直流驱动要根据具体情况而定。如果用脉冲驱动发光管,一般不会缩短发光管的使用寿命发光管是一种量子器件适合高速工作,这正是发光管的优点之一。如果有闪烁使用的发光管频频损坏,那应该是其他方面的原因引起的,电流过大等等,而不会是发光管自身不耐闪烁。一般的驱动技术不但受输入电压范围的限制,而且效率低。在用于低功率的普通LED驱动时,由于电流只有几个MA,因此损耗不明显当用作电流有几百MA甚至更高的高亮LED的驱动时,功率电路的损耗就成了比较严重的问题。

　　五、结束语

　　隔离驱动虽然电路结构比不隔离驱动器略微复杂、驱动器体积也会增大、生产成本会提高,而不隔离驱动器结构简单、生产成本低、体积也可以做得更小,但不隔离降压驱动器的一个最大的危险是驱动器一旦损坏高电压大电流会直接通过发光管是发光管损坏。因此,使用隔离驱动器较好。交流变换器型驱动器变换效率较高,从节能的角度来说,更有意义。