專利名稱：一種市電下簡易led恒流源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及到用于LED負載的非隔離型恒流源驅(qū)動的電源技術(shù)，在交流市電下，一種低成本并容易實現(xiàn)的高效率且穩(wěn)定工作的恒流源電路。
背景技術(shù)：
在市電交流220V50HZ下的LED恒流電源，除了昂貴的隔離型開關(guān)電源外，現(xiàn)在市場上大多采用傳統(tǒng)的低成本非隔離型RC阻容方式LED電源，其總效率最高60%左右。這種傳統(tǒng)的RC阻容方式LED電源容易受市電網(wǎng)電壓波動的影響，特別是在開關(guān)時或有脈沖高電壓時，通過LED負載的瞬間電流過大而導(dǎo)致其LED芯片損壞，暴露出該電源本身的低性能和不穩(wěn)定；而且這種傳統(tǒng)的RC方式LED電源本身設(shè)計中，電阻等元件較大功率工作，發(fā)熱損耗大容易老化損壞，致使電源整體效率較低，性能不穩(wěn)定且也影響其壽命較短。一方面，因上敘這種傳統(tǒng)RC阻容方式的L ED電源弊端原因而受到大多數(shù)廠家的唾棄，而往往傾向于采用昂貴的開關(guān)電源方案，從而給普通老百姓選擇用LED燈從經(jīng)濟上加高了門欄。而另一方面，在近幾年刮起的LED綠色照明的普及風(fēng)下，一些廠家為了實現(xiàn)LED燈的低成本普及大眾，仍然使用這種傳統(tǒng)RC方式的LED電源電路，而給消費者帶來新光明的同時也帶來了許多負面影響。。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型是在寬電壓幅度范圍的市電交流220V50HZ下，主要通過RC阻容電路和三極管恒流電路組成，其組成電子元件是普通的電阻、二極管，三極管和儲能放電的電容、電感，將電流穩(wěn)定轉(zhuǎn)換給多個串聯(lián)LED負載終端用，通過合理搭配和精確設(shè)計達到整體高效率86%以上(最高95%左右)工作；另外，本電路具有軟啟動功能和防浪涌、防短路和防開路的保護功能，過壓保護和過流保護的功能，有效保障其對LED燈串負載的恒流輸出的穩(wěn)定性。本實用新型是總體成本低且又容易實現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)的RC阻容方式的LED電源的諸多不足處，是一種市電下的經(jīng)濟實用的高效率的LED恒流電源設(shè)計方案。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是利用電感電容的儲能緩沖作用，實現(xiàn)市電下的浪涌保護和濾波；同時利用了電感電容的儲能放電的這種將無用功轉(zhuǎn)化為有用功的作用，促使其高效率；利用三極管的電流放大作用和二極管的鉗壓作用，通過限流電阻，一起實現(xiàn)恒流源的主體作用，實現(xiàn)電流絕大多數(shù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)換給串聯(lián)LED負載終端用，同時使其他電子元件以很低電流下工作而最大限度降低其自身功率損耗，進一步促使LED恒流源的整體高效率。本實用新型的有益效果是1.在較寬的電壓幅度范圍的市電(交流220V50HZ)下其穩(wěn)定運行，比如18(T250V電壓幅度范圍(具體根據(jù)實際需要也可以調(diào)整設(shè)計為更大范圍)，有利于LED燈具的更好普及使用；2.其軟啟動、浪涌保護和效濾雜波及異常保護，能有效保障主體電路的正常運轉(zhuǎn)，豐富和改善了傳統(tǒng)RC阻容方式電源的性能；3.通過電感、電容儲能元件和三極管的使用，對電路的整體效率提升非常明顯，其自身發(fā)熱損耗和電磁污染都非常小；4.由于元件的動態(tài)特性的調(diào)節(jié)作用，在電壓幅度波動的市電下能實現(xiàn)恒流電路的穩(wěn)定輸出，增強了電路的自調(diào)節(jié)性的穩(wěn)定性能；5.其所有采用的元件是很普通的，總成本低，對LED恒流源電路的實現(xiàn)和普及非常容易，也便于進一步改進、擴展和集成。
圖1是本實用新型用于38個LED燈串負載的恒流源電路設(shè)計案例圖；圖2是本實用新型的原理框以下結(jié)合附圖和實施案例對本實用新型進一步說明。一、本實用新型的工作原理如圖2所示，本實用新型，在市電下依次通過普通電子元件組成的濾波及過壓保護電路和RC阻容電路，整流電路，濾波及過流保護電路和恒流電路，電連接至LED燈串負載電路，一起實現(xiàn)了恒定電流輸出供給LED燈串負載；本實用新型的主體分為RC降壓整流濾波和三極管恒流兩大部分，其工作原理下面具體給以分別說明(如圖1所示)URC降壓整流濾波部分在市電接入處用電容CO (濾除高頻雜波)和壓敏電阻RVl (濾除高壓波)濾波后，得到220V正常交流電壓波進入經(jīng)RO檢流電阻(過流保護后續(xù)電路)，再經(jīng)過RlCl阻容電路動態(tài)降壓，進入二極管電橋即硅橋整流后變成直流電壓波，再經(jīng)過電容C2 (儲能放電)和電容C3 (濾除剩余高頻雜波)濾波后，電壓Vc波形趨于平整，此處大約300V ；補充說明在關(guān)斷電源后，RVl為CO放電；Rl為Cl放電；而后面電路中為C2和C3放電的是Ll和R2、R3回路；這樣使電路在關(guān)斷后不帶電更安全；2、三極管恒流部分 上述電壓波Vc分2路進入本部分電路一路直接電壓加到三極管Q 1的集電極，另一路經(jīng)過Ll電感后，電流波形變平整，再經(jīng)過R2分壓限流后再分三路一路經(jīng)白色發(fā)光二極管D5輸出到負載，D5兩端電壓鉗位為Vf=3. 2^3. 6V(—般取值為3.2V)；第二路加到三極管Q 1基極；第三路經(jīng)過R3匯流到地端。三極管Q 1的發(fā)射極形成電流Ie經(jīng)限流電阻Re輸出到負載，而且由于D5兩端電壓鉗位，電流Ie= (Vf-V be)/ Re ；三極管Q 1 (以硅管為例)的，管壓降為V be=0. 3 0. 5 V (一般取值為0. 3V)；由于二極管管壓降Vf=3. 2^3. 6V遠大于三極管的V be —個數(shù)位級，那么三極管受溫度影響其管壓降V be，對Ie的影響很小可以忽略。發(fā)光二極管D5大多工作于小電流(Id=O. 77 2mA)狀態(tài)，發(fā)熱很小，其管壓降Vf很穩(wěn)定。正常市電下時，即Vi=220V，取D5的管壓降為Vf=3. 2V，則Ie= (Vf- V be)/ Re ；Ie= (3. 2-0. 3)/300=0. 01067A=10. 6667mA (約為 10. 67mA)；如果取Vf ’ =3. 6 VHIe，=(3. 6-0. 3)/300=0. OlA=IlmA;[0029]相比電壓正常時Ie=IO. 67mA，變化很小(0. 33V，約3%)；下面方便計算，一般取值Vf=3. 2V，Ie=IlmA ；從上面數(shù)據(jù)，所以得出結(jié)論1 ) :Ie不容易受電子元件溫度影響；結(jié)論2 ) :Ie大小由限流電阻Re決定；總體看來，此恒流源的輸出電流Io= Ie+ Id ；三極管Ql的電流放大系數(shù)取值β =40，Ib= Ie/β，輸出電壓Vo即等于LED串負載的電壓Vfn, Vo=Vfn=n*fn=38*3. 2=121. 6V，那么D5的導(dǎo)通電流(正常市電下)Id=I2-I3-Ib=( Vc - Vo- Vf)/R2-(Vo+Vf)/R3-Ie/β ；=( 1. 5Vi - Vfn -Vf) /R2_ (Vfn+Vf) /R3_Ie/ β ；=(1. 5*220-121. 6-3. 2)/100-(121. 6 + 3. 2) / 300-11/40;=2. 052-0. 416-0. 275=1. 3715mA;(約為 1. 37 mA)所以，Io=Ie+ Id=I 1+1. 37=12. 37mA ；另一個情況市電幅度小，比如Vi=180V時，那么同理對應(yīng)得出Id’ =0. 77 mA;Ιο，=10. 67+0. 77=11. 44 mA;從計算數(shù)值可得出結(jié)論3) Jd由Vi即市電的電壓幅度大小決定，同時也受D5管壓降Vf很小影響；如果市電幅度范圍Vi=18(T250V，那么同理對應(yīng)得出D5的導(dǎo)通電流的范圍=Id=O. 77 1. 82 mA;而對應(yīng)輸出電流的范圍Io=ll. 44 12. 82 mA;由此可見，Ie遠大于Id —個數(shù)位級，Io主要由Ie決定；因為在上面(結(jié)論2) :Ie大小由限流電阻Re決定，所以作出結(jié)論4)本實用新型電路的總輸出電流Io由限流電阻Re決定；本實用新型的這個帶38LED負載的恒流源電路設(shè)計案例，可以用在電壓幅度范圍在18(T250V的市電內(nèi)，輸出電流為Io=12 mA，波動小于1 mA。二、本實用新型的其他功能的設(shè)計思想1.軟啟動如圖1所示，軟啟動功能由電容C1，C2和電感Ll來實現(xiàn)。啟動后，交流市電輸入，通過Cl，C2儲能并對電壓緩沖而平緩進入后面電路，而Ll則通過儲能使電流緩沖而慢增大至正常電流。常識上電容特性是通高頻阻低頻，電感特性是通低頻阻高頻，電感和電容的緩沖性是互補的；這樣經(jīng)過C1、C2和Ll的儲能緩沖，使整個電路軟啟動，壓低了對其他電子元件的沖擊損傷，保障了對LED負載的電流沖擊保護，也保障電子元件在正常環(huán)境中運行得以延長壽命；2.限壓濾波，防止浪涌，實現(xiàn)過壓和過流保護通過電容CO=O. OluF,C3=0. IuF的濾出市電中的高頻脈沖雜波，通過壓敏電阻RVl(型號7D471K)實現(xiàn)對大的浪涌電壓(大于300V)的瞬間轉(zhuǎn)換為低阻吸收掉，還通過電容Cl，C2和電感Ll上敘的互補的緩沖作用對浪涌電流的直接緩沖阻擋，實現(xiàn)防浪涌保護、過壓保護和過流保護，保障各個元件工作于正常電壓電流環(huán)境中而電路整體得以正常運轉(zhuǎn)，同時延長電子元件的使用壽命；[0057]3.電路設(shè)計多級元件的高抗壓抗流能力和自保護從大體上講，壓敏電阻RVl選型為7D471K，在交流市電下，對正常電壓毫無影響，但對高壓雜波RVl會瞬間瞬間轉(zhuǎn)換為低阻給以直接吸收。通過查壓敏電阻參數(shù)表可知道交流下的額定工作電壓是300V ；那么對于小于300V的電壓波可通過RVl，即使忽略Rl，Cl和LED負載的分壓作用，進入恒流源部分產(chǎn)生的最大電流12= (300*1. 5-120) /100k=3. 3mA (注為計算簡便設(shè)定負載電壓為120V，下面相同)，對于吸收電流最多的發(fā)光二極管D5的最大電流是20mA，是完全可以承受的且有很大的富余；對于三極管Ql也沒問題；對于電阻R3=300K分流后吸收更沒有問題；假如電路出現(xiàn)1000V瞬間高壓，即使不考慮RV1、C0、C2、C3和Ll的吸收緩沖保護，
本設(shè)計方案還有兩方面保護能力(1)壓敏電阻RVl會瞬間給以瞬間轉(zhuǎn)換為低阻直接吸收掉；(2)恒流源電路部分變化的電流主要被R2吸收，且其電流為12= (1000-120)/100k=8. 8mA，對于R2=100K/1W來說，因功率大大超出R2負荷力而會熔斷，繼而使三極管Ql基極斷電而罷工(呈現(xiàn)高阻態(tài))，使后面的其他元件得到保護；這在LED恒流源本身能自保護能力內(nèi)，以犧牲最廉價的1個電阻而保護整個電路。4.短路保護、過流保護和開路保護對于電阻RO=I Ω/0.25W，能承受最大電流是I (RO)=O. 5A，對于電路正常工作毫不影響，但對于短路或過流(大于0. 5Α)，RO將因為超過額定功率而熔斷，從而斷掉電路的電源而起到保護作用；如果LED負載故障而開路時，分析恒流源部分電路容易看出，發(fā)光二極管D5和三極管Ql的單向?qū)щ娦詻Q定Ql基極無電流而停止工作；整個電路通過R2、R3形成回路且組成一個400K負載，整個電路進入uA級微功耗的保護狀態(tài)工作中；對于LED負載短路，恒流源部分產(chǎn)生的電流變化不大，而且恒流源部分會自消耗掉Ie =ll.mA 不變，R2 的電流(最大峰值)12= (300*1. 5-0)/100k=4. 5mA，R3 上電流13=3. 6/300k=0. 012mA 變小，而 D5 上的電流 Id=I2_I3- Ie/β =4. 5-0. 012-11/40=4. 213mA,毫無疑問，各元件的電流都在正常范圍內(nèi)而可以順利消耗掉的。
具體實施方式
一、以一路38個LED的負載為例具體說明設(shè)計方案一般來說對于白色小功率LED照明來說，發(fā)光效率最佳時LED電流為13 15mA (最大20mA)，每個LED的管壓降約Vf 1=3. 2 3. 6V;那么38個LED串聯(lián)成一路，則38個LED總的管壓降為Vfn=3 (3. 2=121. 6V ；而通常使用三極管Ql是耐壓Vcb為400V的NPN硅管比如型號13003，Ql的管壓降為Vbe=O. 3 0. 5V;市電為交流電壓Ui=220V，頻率為f=50.Hz;市電通常經(jīng)過整流后的電壓為UI=1.5* Vi=L 5*220V=330V1.首先，本方案總體是RC的電容動態(tài)降壓實現(xiàn)電流限制，所以先確定RC阻容電路中的電容Cl 電容Cl的容抗Zcl=l/2 π f (Cl)；電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色。電容值與電流成正比；[0075]以IuF的電容為例，采用全波整流可得到的電流(平均值)為1=0. 89*V/Zc=0. 89*220*2* Ji 氺f氺C=0. 89*220*2*3. 14*50*C=61481C=61481*0. 000001=0. 061A=61mA而在此電路中，考慮38個LED分配去約120V電壓，假定Io=13mA，那么根據(jù)電壓與電流成正比，那么得到(UI- Vfn)/220*1. 5= Il/Io(220*1. 5-120)/ 220*1.5= 11/1311=20. 42857 mA,我們整取值 11=20. mA,那么根據(jù)電容值與電流成正比，得到11/ I= C1/C ；20/61=Cl/l，得出 Cl=O. 328uF ；根據(jù)電容規(guī)格表，最后取得Cl=O. 33 UF2.其次，本方案最重要的恒流源部分，要確定Re值恒流源部分輸出電流Io= Ie+ Id ；Ie= (Vf-Vbe)/Re;所以，Re=(Vf-Vbe) /(Io-Id)由于恒流輸出電流Io主要由Re決定；Id較小，最大為2mA;為簡化計算，可以考慮取值Id=2mA; Vbe=O. 3V,那么，Re= (Vf-Vbe) / (Io-Id)；Re= (3. 6-0. ；3)/(13-2)=0. IΩ =300 Ω，此電阻精度要 1%，一般用金屬膜電阻;3.其他電子元件的要求。最重要的檢查二極管D5和三極管Ql D5是白色發(fā)光二極管5mm散光型插件，對于大多數(shù)廠家的LED的管壓降是Vf 1=3.2^3. 6V ；如有變化，要根據(jù)實際情況來重新確定限流電阻Re的值；三極管Ql通常使用是耐壓Vcb為400V耐流0. 6A的NPN硅管，比如普通型號13003等，管壓降是Vbe=O. 3^0. 5V，就可以了 ；其他元件很普通，按照圖1上要求的一般元件取得即可。二、本實用新型的實際電路的測試參數(shù)1.測試環(huán)境6月3日星期五溫度28 ；35攝氏度；使用工具數(shù)字萬用表(型號ST830L)，專業(yè)多功能計量插座(萬方牌)，數(shù)字溫度計；2.測試參數(shù)記錄表本實用新型的實際恒流源電共8個(電路及元件完全相同如圖1)；共8個負載分為兩種類型一類編號為L1 L4:白色LED :34個+紅色LED 4個，串聯(lián)為一路；另一類編號為L5 L8:白色LED :31個+紅色LED :7個，串聯(lián)為一路；分兩個時段測試用電高峰期(早上9:0(Γ10:00)和用電閑暇期(早上6:00 7:00)；[0108]1.用電閑暇期測試數(shù)據(jù)及其分析表一用電閑暇期負載測試數(shù)據(jù)記錄表
權(quán)利要求1.一種市電下簡易LED恒流源電路，在市電下依次通過普通電子元件組成的濾波及過壓保護電路和RC阻容電路，整流電路，濾波及過流保護電路和恒流電路，電連接至LED燈串負載電路，一起實現(xiàn)了恒定電流輸出供給LED燈串負載，其特征是在市電下主要通過RC阻容電路和一些電阻、電感、電容，三極管及二極管組成的三極管恒流電路的簡易結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)降壓濾波、防浪涌保護及短路保護、開路保護、過壓保護、過流保護和軟啟動功能，有效保障其對LED燈串負載的恒流輸出的穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種市電下簡易LED恒流源電路，其特征是通過電阻并聯(lián)三極管集電極，限流電阻串聯(lián)三極管發(fā)射極和發(fā)光二極管并聯(lián)，一起組成的三極管恒流電路簡易結(jié)構(gòu)，一起實現(xiàn)恒流源的主體作用，同時最大限度地降低自身的功率消耗，促使整體方案在市電下轉(zhuǎn)換成恒流輸出的高效率。
專利摘要一種市電下簡易LED恒流源電路，在寬電壓幅度范圍的市電交流220V50Hz下，主要通過RC阻容電路和三極管恒流電路組成，其組成電子元件是普通的電阻、二極管，三極管和儲能放電的電容、電感，將電流轉(zhuǎn)換給多個串聯(lián)LED負載終端用，通過合理搭配和精確設(shè)計達到整體高效率86%以上(最高95%左右)工作；另外，本電路具有軟啟動功能和防浪涌、防短路和防開路的保護功能，過壓保護和過流保護的功能，有效保障其對LED燈串負載的恒流輸出的穩(wěn)定性。本實用新型是總體成本低且又容易實現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)的RC阻容方式的LED電源的諸多不足處，是一種市電下的經(jīng)濟實用的高效率的LED恒流源設(shè)計方案。一種市電下簡易LED恒流源電路，是在市電下依次通過普通電子元件組成的濾波及過壓保護電路和RC阻容電路，整流電路，濾波及過流保護電路和恒流電路，電連接至LED燈串負載電路，一起實現(xiàn)了恒定電流輸出供給LED燈串負載。
文檔編號H05B37/02GK202310178SQ20112024665
公開日2012年7月4日 申請日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者黃顯定 申請人:黃顯定