节能LED照明灯研制

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引言

        目前广泛用于家庭、学校和政府照明的荧光灯耗电较多，内含汞蒸汽，灯管易碎，安全性差，一旦碎裂，对环境和人体有很大危害；荧光灯发光光谱不集中，含有大量紫外线等不可见光，不但降低了照明效率，而且紫外线加速皮肤、纸张、文物等的老化；荧光灯必需的启辉器和镇流器会产生电磁和噪声污染，降低电网供电质量，增加照明环境污染。

        LED是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，采用电场发光，效能极高，发出的热量很少，不像白炽灯那样以热量形式浪费太多电量；LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，发光效率可达80％～90％，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体；LED属于全固体冷光源，体积小，结构坚固，工作电压低，不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏，是全球公认的环保节能型光源。

        高亮白光LED是电流驱动的低电压单向导电器件，其驱动有直流控制、效率高、有过压保护、尺寸小巧和简单易用的特点。考虑到用市电驱动对用户最方便，本文结合电力电子整流与恒流技术设计制作了一款绿色环保高效节能的LED照明灯，它节电效果明显，消减了传统照明光源的缺点，并可以直接在荧光灯架上使用(启辉器拆除，镇流器拆除与否对LED发光效果没有影响)。

驱动电路的原理与设计制作

        220V工频单相交流市电需要转换为单路18mA～20mA的恒定直流才能驱动LED灯。因此驱动电路设计为交直流转换电路和恒定电流输出电路两部分，前者采用单相桥式不可控整流电路，其输出的直流电经过恒流源驱动串联的LED灯珠，恒流源可以消除正向电压变化所导致的电流变化，最终使LED产生恒定的亮度。

单相桥式整流电路原理与设计

        单相桥式不可控整流电路含两个整流回路，其电路原理图、电源电压波形、输出电压波形如图l所示。

        单相桥式不可控整流电路的优点是换流电路谐波很少，对电网影响较小，能保证电能质量，但其输出电压波动强烈，电流不稳定，为更好的驱动LED，还需设计可微调的稳流电路。

恒流源电路原理与设计

        串联调整型稳流电源电路框图如图2所示，包括调整管、采样电阻、基准电压、误差比较放大器和辅助电源等部分。电流取样电阻RS比稳流电源整个回路中的输入电阻小很多，则负载电流IL几乎全部流过电流取样电阻RS，使RS阻值稳定不变，则RS上的电压降直接随负载电流变化，稳流电源的实质就是稳定取样电阻RS上的电压降US0。调整管在反馈信号的推动下将输出电流调节在设定的范围内，并保持基本不变。

        当负载电阻变化时会引起电流偏差，该偏差与反馈环路增益大小有关，增益越大，电流偏差就越小，但不可能为零。稳流电源自动闭环调节环路调节模式如图3所示，稳流电源的调节函数为：


        恒流电源电路如图4所示，采样电阻RS把回路电流转换成电压信号，并在误差放大器与基准电压UREF比较放大，将输出送入调整管VT的基极，驱动VT对输出电流I0的变化进行补偿校正。R0是输出端的附加电阻，它的作用是避免当调整管功率过大或者负载较轻时，比较大的ICC0将迫使输出端电压达到整流电压所能供给的最大值而引起严重过电压。

        基准电压UREF是重要的组成部分，它的好坏直接影响电流源输出的稳定性，应选用低温度系数的稳压管做基准电压源，且要求稳压管温度漂移小。另外需注意，驱动多个LED时应该把它们串联，因为并联时需要在每个支路中放置镇流电阻，这会降低效率并导致电流失配。



LED驱动电路制作与装配

        考虑到驱动电路板宜封装在灯管内，在比较过分离元件和整合芯片的优缺点后，整流电路部分选用能够满足单相不可控全桥整流功能的HD06芯片，它工作可靠，发热量小，四引脚贴片封装形式使其体积更小巧，可以方便地焊接在印刷电路板上，有利于缩小驱动电路的体积。

        恒流电路如果用分立元件制作，不但体积太大，而且可靠性不高，为满足整体设计需要，选用基于上述稳流电路原理制作的HA220XXP恒流源芯片，10引脚DIP封装，它只需少量外围器件，就可以在输入直流电压200V～350V范围内，输出几十毫安以内、可由外围器件调整的恒定电流。该芯片外配电路简洁，不需要电感和变压器，电路组成部分体积小，可嵌入小体积LED灯具内部，方便可靠。根据上述原理和元器件所设计的电路原理如图5所示。

        对HA220XXP恒流源芯片及其应用电路的说明如下：

1．左端为220V电流输入，右端为可调节的直流恒流输出，单路∑VF≤0.9VinDC，VF为每个LED的正向压降。

2．20mA直流输出时，串联单路LED的总压降即∑VF应大于30V，则单路串接白色LED灯珠的数量：n=30V／3.15V≈10个。恒流源的最佳工作电压范围∑VF为150V～180V，容易算得带白光LED灯珠的最佳个数为47～57个。

3．R2为启动电阻。阻值(KΩ)=0.5×输入电压值，功率为1／2W～1W，如当Vin=220V时则R2应选用110KΩ，考虑到电阻发热对芯片的影响，设计时应尽量将此电阻远离芯片；R3为补偿电阻，使用10KΩ、功率为1／16W～1／8W的电阻。

4．C2为滤波电容，取值4.7μF；C1为平滑电容，一般使用100uF／10V～16V的电解电容。

5．恒流源芯片第一脚EN为使能端，悬空时使能有效，高电平时关断，不允许接低电平。使用"使能端"对电路进行通断控制时，配合单片机可以增强所控制灯具的智能性，如光控、声控开关，特殊信号报警等，有待进一步开发利用。

        根据电路原理图、元件的特点以及传统荧光灯架的几何尺寸，设计制作的驱动电路实物如图6所示，其功耗约为0.8W。焊接元器件时，为避免元器件特别是白光LED灯珠被静电击伤，应严格采取防静电措施。

实验对比与性能分析

        连接全部电路，LED灯珠插装后焊接在长条形基板上，驱动电路用双面胶带粘贴于基板背面，然后装入按国标标准设计的有机玻璃灯管，用标准的荧光灯堵头封闭两端，堵头同时是220V交流电的输入口，外观和普通荧光灯相似。

        评测照明灯具性能好坏有专门的指标参数，主要使用了YF2006专业照度计测试对比LED灯管和普通荧光灯管的照明效果；用PF9800智能电量测量仪测试二者的功耗差别和影响电网电能质量的其它参数。

照明效果的测试对比及分析

        在暗室分别悬挂设计制作的额定功率为6W的LED灯管和额定功率为20W的普通荧光灯管，离光源1.5m用YF2006型照度计进行照度参数对比。6W的LED灯管测试结果为32.891x，20W的普通荧光灯管测试结果为33.311x，两者十分接近，且目测感觉LED照明灯的光线更为纯正柔和，有利于保护视力。

电气参量的测试与比较

        电气参量测试时使用智能电量测量仪PF9800，测量精度较高，可以在四个窗口同时显示通过负载的即时电压、电流、功率和功率因数／频率。同样输入工频220V交流市电，LED灯管的电流为34mA，耗电为6.05W，功率因数为0.778，与理论设计值很接近；普通荧光灯通过电流为213mA，耗电量为20.88W，功率因数为0.419。

实验结果分析与总结

        通过上述实验对比可以看出LED灯管具有明显的优越性，结合电路设计原理和制作过程，总结如下：

1．节电效果十分明显。6W的LED灯管和120W的普通荧光灯管流明数相当，流过的电流小则电路上的杂散损耗相应就小，LED灯管的电光功率转换接近100％，实验结果表明在相同照明效果下比荧光灯管节能70％以上。

2．绿色环保无污染。白光LED为固体冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质(荧光灯易挥发汞蒸气)，消除了污染环境的隐患；光谱中几乎没有紫外线和红外线，利于减缓被照物老化速度，且照明效果最接近太阳光，能较好反映照射物体的真实颜色；部分灯珠损坏可以及时替换，废弃物无污染并可回收，能有效提高资源利用率。 3．使用寿命长。LED由环氧树脂固体封装，抗震性好，不存在灯丝发热易烧、热沉积、光衰等缺点，理论寿命为6万小时～10万小时，是传统光源使用寿命的5倍以上；且LED性能稳定，可在-30℃～+50℃环境下正常工作。

4．LED灯管不需要镇流器和启辉器，减少了照明环境的电磁污染和噪声污染；与普通荧光灯管相比，功率因数大大提高，有利于保证电网的供电质量，对解决日益严重的电磁污染问题意义重大。

结语

         LED产品的开发、研制和生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业，而电能变换技术是应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电力电子技术、自动控制技术的多学科边缘交叉技术。这两者结合应用于电气节能研究是建立节约型社会的一个重要方面，具有明显的节能和环保效果。全国每年有20％以上的电能用于照明，如果传统照明灯具都能够改换为绿色节能产品，则电能节约量是十分可观的；绿色环保的产品设计理念和节能手段的创新研究对社会发展亦有重要意义。