将 LED 应用于照明电路的探讨

LED|0">LED 具有发光效率高、使用寿命长、不污染环境等优点，我国已经启动了“半导体照明工程”，将其作为新一代的绿色照明光源来进行开发。高亮度白色 LED 单体正常的工作电压约为 3V ，将其用于交流电压为 220V 的照明电路时，需要将数十只 LED 串联使用。此时 LED 本身的特性与交流电压的波动就成为了两个不可忽略的因素。 LED 的动态电阻很小，正常工作时，加在其两端的电压必须保持相对稳定。例如：某型号φ 5mm 高亮度白色 LED ，正常工作时的电压为 3.1V ，对应的电流为 12mA ，而当电压增加到 3.2V 时，电流增加到 22mA ，其亮度却增加无几，当电压增加到 3.3V ，电流增加到 39mA 时， LED 很容易发热烧坏。同时，由于元件参数的分散性，当电压增加时，各 LED 增加电流的差别有时会达到数倍之多。因此，在将数十只 LED 串联使用时，控制通过 LED 的电流要比控制每一只 LED 两端的电压容易得多。

实际上，只要将通过这串 LED 的电流控制在。 10mA ～ 15mA ，则各个 LED 两端的电压有少许差别并不影响其正常使用。

交流电压的波动对串联 LED 影响很大。

如图 1 所示电路：假定 220V 的交流电经过整流和滤波后在 C 上产生约 310V 的直流电压，而每只 LED 的电压为 3.1V ，那么 85 只串联的 LED 上的电压就是 263.5V ， R2 上的电压为 46.5V ，通过 R2 的电流即通过 LED 串的电流为 46.5 ÷ 3.9=12mA ，这串 LED 正常工作。电阻上的电压占总电压的 15 ％，即电路的效率为 85 ％。由于电源电压实际上存在着± 10 ％的波动，当交流电压降到 198V 时 ,C 上的直流电压降到 279V 左右，这时 LED 串上的电压基本保持不变，而 R2 上的电压降到 15.5V ，使通过 LED 串的电流减少到 4mA 左右，导致其亮度大幅度下降。如果交流电压降到 190V 以下，还会出现 LED 串不能发光的情况，所以这个电路不能用于正常波动的交流电压。为了适应电源电压的变化，可以增大 R2 的阻值，减少 LED 的个数。例如，将 R2 增大到 13k Ω， LED 减少到 50 只时，对应 220V 交流电压，通过 LED 的电流仍为 12mA ，而对应 198V 交流电压，通过 LED 的电流为 9.5mA ，这时 LED 串的亮度变化不大。但此时，对应 220V 的交流电压，电阻 R2 上的电压占到了总电压的一半，即有一半的功耗被 R2 消耗。

为了提高电路的效率，可以利用电容器代替电阻来限制通过 LED 的电流。因为电容器实际并不消耗电能，故能够在保持一定的电压适应能力前提下提高电路的效率。在图 2 所示电路中，交流电经 C1 降压 ( 限流 ) ，并经整流、滤波后为 54 只串联的 LED 供电，通过 LED 串的电流约 12mA ，而 LED 串上的电压降只有 170V 左右，所以当电源电压正常波动时，通过 LED 串的电流变化也较小。只有当交流电的电压下降到 190V 以下时，通过 LED 串的电流才会降到 10mA 以下，而降到 130V 以下时， LED 串才会熄灭，其应对交流电压抗波动的能力要比图 1 的电路强。图 2 电路的弊病在于：接通电源的瞬间会产生较大的浪涌电流，且交流电除了存在正常的波动之外，还夹杂着许多无规律的脉冲状噪音干扰，而 C1 的抗脉冲干扰的能力很差，当电路中出现噪音干扰时，也会有很大的浪涌电流通过 LED ，使之瞬间击穿。虽然从理论上讲， C2 对噪音干扰具有一定的吸收作用，但是实际上 C2 用的都是电解电容器，应对噪音干扰的效果较差。

如果将 C2 换成聚丙烯电容或者在 C2 两端并联小容量的聚丙烯电容，情况会有所改观。

还有一种电路，是通过电容分压后直接用交流电点亮 LED 的，它也不能克服电容器的抗噪音干扰的能力差的缺点，同时仅当交流电的瞬时值大于整个 LED 串的导通电压时，才有电流通过 LED ，即在交流电的一个周期内，大部分时间 LED 并不发光。为了增加亮度，势必要增加 LED 的数目，这显然不太合适。

通过上述电路分析，可以得到如下的启示：对于多只串联的 LED 来说，用稳定的电流供电要比用稳定的电压供电简单可靠。为了避免浪涌电流将 LED 瞬时击穿，并兼顾电路的效率，可以用稳流电源代替图 1 中的限流电阻 R2 。稳流电源的动态电阻很大，与 LED 动态电阻很小的特点恰好可以互补。据此笔者制作了图 3 的电路， 220V 交流电经过整流和滤波后产生约 3 。 10V 的直流电压，经过由 V1 与 V2 组成的互补型稳流电源为 85 只串联的白色高亮度 LED 供电。 V1 输出的稳定电流通过 D2 为 V2 提供基准电压， V2 输出的稳定电流通过 D1 为 V1 提供基准电压，且 V1 与 V2 各输出 1 ／ 2 的稳定电流，所以电路的稳定度很高。 D1 、 D2 也使用白色高亮度 LED ， R2 、 R3 上的电压约为 2 ． 4V ，调节 R2 、 R3 的阻值可将通过 LED 串的电流控制在 10mA ～ 15mA 之间。在这里，稳流电源相当于一个可变电阻，它会随着电源电压的变化而改变其阻抗，使通过 LED 串的电流不至于发生太大的变化，当交流电压从 220V 降到 195V 时，其两端的电压从 46.5V 降到 8V 左右，而输出的电流基本保持不变，同时它抗噪音干扰的效果也远好于电解电容器，很大的动态电阻可以有效地抑制浪涌电流的产生。

笔者参考图 3 的电路，制作的一个 LED 台灯，使用一年多从没出现过任何意外。但是该电路仍然存在两个问题：一是当电压从 195V 开始继续下降时，它的亮度就会迅速减弱，进而熄灭；二是稳流电源是一个阻性负荷，仍会消耗一定的电能，在本电路中大约为 15 ％左右。

将图 2 与图 3 电路结合起来：利用 C1 的限流作用来适应电源电压的正常波动，利用稳流电源的大动态电阻来抑制噪音干扰引发的浪涌电流，是一个不错的方法。据此得到图 4 的电路：通过 LED 串的电流由 C1 控制在 12mA 左右，当交流电压为 220V 时， V1 、 V2 处于浅饱和状态，稳流电源上的电压降约为 6V 左右；当交流电压大于 220V 时， V1 、 V2 进入放大状态，并发挥稳流作用；而当交流电中出现脉冲状的噪音干扰时，稳流电源就会作出反应，将浪涌电流控制在 20mA 以内，从而保证 LED 串不至被击穿。图 4 与图 2 的电路性能相当，但可靠性更高。由于 D1 、 D2 也是高亮度的白色 LED ，所以 LED 的总数仍为 54 只。