CN102202436B

CN102202436B - 一种恒流式单元稳压led交通信号灯

Info

Publication number: CN102202436B
Application number: CN201010129852.2A
Authority: CN
Inventors: 张志军; 周永准; 白舸
Original assignee: BEIJING GENERAL ELECTRIC EQUIPMENT Co Ltd
Current assignee: Beijing Dentsu thick light Amperex Technology Limited
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: CN102202436A

Abstract

本发明提供了一种LED单元，其中发光二极管与至少一个正向压降接近发光二极管工作电压的二极管并联，利用二极管PN结的正向压降稳压的原理，保持了发光二极管工作电压的稳定。本发明还提供了一种恒流式单元稳压LED交通信号灯，包括整流桥和至少一个将串联的LED单元与恒流控制模块串联形成支路，通过恒流式单元稳压电路实现降压，且单元降压功率很小，使整个控制系统无任何功率组件和发热元件，也使电路可以得到稳定可靠的工作。

Description

一种恒流式单元稳压LED交通信号灯

技术领域

本发明涉及一种包括多个LED单元的恒流式单元稳压LED交通信号灯。

背景技术

发光二极管的简称为LED，是英文Light Emitting Diode的缩写，由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，也就是在PN结上，空穴和电子之间跳跃时，能量多的以光的形式发出。光的颜色视发光二极管的制造材料而定，有红、黄、绿等多种颜色。

随着我国交通工业的发展，各类交通信号LED显示设备已经大量得到使用，它取代了传统的白炽灯式的交通信号灯，实现了节约能源和环境保护的绿色环保目标。同时，低成本、长寿命也是它特有的优点之一。

然而，一般红色和黄色超高亮度发光二极管的正向工作电压不超过2V，绿色的正向工作电压不超过3V，正向工作电流在10～25mA左右。要满足LED发光二极管的正常工作条件，其电路需要满足两个方面：第一、满足LED发光二极管正向工作电压；第二、满足LED发光二极管正向工作电流。目前在LED的使用方面，绝大部分的产品只是就LED本身的优点而发挥，其控制电路是靠各式变压器恒压、稳压或各类稳压（开关）电源供电工作。由于变压器的转换效率较低，再加上稳压电源的功耗，造成整体电源功耗与LED的实际负载消耗差的比例在4:1左右，且由于变压器属于感性负载，功率因数较低，因而造成一定的无功损耗。其二，目前大多数LED交通信号灯多采用开关电源供电，这类的交通信号灯在受到系统的回路检测及信号反馈时反映出较大的问题。在接到系统开启命令时，信号灯的开关电源启动电流很大，约为正常工作电流的8～10倍，电压与电流的相位差也在100ms左右，容易造成控制器检测回路的错误判断，尤其在信号灯处于闪动的状态时，极易产生信号回路的检测困难。此外，开关电源对于频繁闪动的信号灯工作状态（如进入黄闪状态），极易产生故障，是造成交通信号灯一次故障时间短的主要原因。

发明内容

本发明提供一种LED单元及包括多个LED单元的恒流式单元稳压LED交通信号灯，解决现有技术中信号灯开关电源启动电流过大带来的控制器检测回路的错误判断，容易产生故障的问题，在同等亮度的条件下，实现了小功率、高亮度，且电路工作稳定可靠。

本发明提供一种LED单元，包括：发光二极管以及与所述发光二极管和串联的限流电阻电路之间相并联的稳压电路。

进一步，所述LED单元中的稳压电路包括至少一个正向压降接近发光二极管工作电压且与发光二极管和限流电阻相并联的二极管。

本发明利用二极管正向压降的特性，将发光二极管与正向压降接近发光二极管工作电压的二极管并联，起到稳压的作用。

进一步，LED稳压电路中所述至少一个二极管为6个正向串联的硅二极管或为11个正向串联的锗二极管。

采用此进一步的技术手段的效果是一般硅二极管PN结的正向压降在0.5V～0.7V之间，在正向结压降为0.55V时，6支的串联总和稳压值VZ为3.3V，接近发光二极管的工作电压；在锗二极管的正向结压降为0.3V时，11个正向串联的锗二极管总和稳压值VZ为3.3V，接近发光二极管的工作电压。

进一步，所述的LED单元还包括与发光二极管串联的限流电阻。

进一步，所述稳压电路还包括与所述稳压电路并联的电容，其大小优选为4.7μF。

采用此进一步的技术手段的效果为起到一定的滤波作用，且由于电路电容总量很小，基本上没有无功损耗，对电源不会产生影响。

本发明还提供了一种恒流式单元稳压LED交通信号灯，包括与电源连接的整流桥，以及至少一个与整流桥连接的如上所述的LED单元串联支路。

其有益效果是系统的降压没有通过变压器或电阻、电容式降压和分压原理降压，而是通过单元稳压电路实现降压。单元稳压电路可直接安装一电阻实现降压，每个单元稳压电路可在功耗允许的条件下任意加装二极管的个数来满足所需降压值的设计要求，且单元降压功率很小，使整个控制系统无任何功率组件和发热元件，也使电路可以得到稳定可靠的工作

进一步，所述恒流式单元稳压LED交通信号灯中的LED单元串联支路还串联有恒流控制模块。

采用此技术手段的效果是利用恒流控制模块使整体电路在其需要的电流范围内起到恒流控制作用。

进一步，恒流式单元稳压LED交通信号灯中所述LED串联支路为多个，且多个支路为并联连接。

进一步，恒流式单元稳压LED交通信号灯中所述整流桥通过与其串联的保险管与电源连接。

进一步，恒流式单元稳压LED交通信号灯中所述LED单元串联中LED单元的个数优选为60个。

进一步，所述恒流控制模块为45mA/50V。

进一步，恒流式单元稳压LED交通信号灯的电路部分采用SMT贴片工艺，整个器件完全贴敷在PCB表面。

采用此技术手段的效果是使得电路整体只有一块电路板，无任何外接辅助电路，安装简捷、维修方便。

附图说明

图1为本发明一种LED单元实施例图；

图2为本发明另一种LED单元实施例图；

图3为本发明中恒流管特性曲线图；

图4为本发明一种恒流式单元稳压LED交通信号灯的电路示意图；

图5a为本发明红色支路总电流曲线图；

图5b为本发明红色支路LED电压曲线图；

图5c为本发明红色支路LED电流曲线图；

图6a为本发明绿色支路总电流曲线图；

图6b为本发明绿色支路LED电压曲线图；

图6c为本发明绿色支路LED电流曲线图。

附图标记：

VL、发光二极管结电压，VR、限流电阻压降，R、限流电阻，Vz、稳压管稳压值，Z、二极管，Iz、过流稳压管电流，IL、发光二极管结电流，LED、发光二极管，C、电容，HL1、HL2、恒流模块，ZL、整流桥，BX、保险管，DY、LED单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2所示的LED单元电路，以一支LED发光二极管为工作单元，在它的两端用稳压电路稳定其工作电压，稳压电路所稳定的电压接近发光二极管的工作电压，所谓接近可以是略大于、等于或略小于，以LED可以正常工作为准。

作为实施例，在LED发光二极管回路串一限流电阻，此限流电阻起到分压的作用，电阻大小取决于稳压电路稳定的电压，使分到发光二极管的电压接近（略大于、等于或略小于）其工作电压，所构成的单元电路如图1、图2所示。在这两个实施例中，选用至少一个正向压降接近发光二极管工作电压且与发光二极管相并联的二极管或二极管正向串联作为稳压电路，该电路的二极管用Z来表示，其数量可在1～7支范围内根据选取的电压而定。在如图1、图2所示的两个实施例中，利用二极管PN结的正向压降稳压的原理，构成一个十分简单的单元稳压电路。一般硅二极管PN结的正向压降在0.5V～0.7V之间，锗二极管PN结的正向压降在0.2V～0.3V之间，其结压降视流过PN结的正向电流IZ的大小而确定。因而，此电压会在一定的范围内变化。若为了得到稳压值VZ＝3.3V，优选的，选用6支正向结电压为0.55V普通硅二极管1N4007串联使用，使其PN结的串联稳压值满足设计要求，因而构成了一个十分廉价的单元稳压电路，如图2所示。显而易见的，若采用锗二极管，使其PN结的串联稳压值满足设计要求，若锗二极管的正向结压降为0.3V，则需要的个数为11个。

当电源电压在220V时，系统采用桥式整流电路，所得到的直流电压为脉动直流电压,其直流电压的有效值较低，故本电路在稳压管两端并接一电容C，优选的其容量为4.7μF，在此起到一定的滤波作用。因为电路电容的总容量为1/C=1/C+1/C2+....+1/Cn，所以对电源不会产生什么影响。

以上只是利用二极管和串联的二极管起到了稳压的效果，除此以外，一切符合所稳定的电压接近发光二极管的工作电压条件的电路及元件都可以作为稳压电路。

如图4所示的恒流式单元稳压LED交通信号灯的电路，把单元稳压电路的集联成为支路，即所用发光二极管个数之和称之为一个支路。对于恒流式单元稳压LED交通信号灯的整机电路来讲，一般使用在220V的控制电源时，每一支路我们选用发光二极管的个数在52～82支的范围内，而对于100V的控制电源来讲，每一支路我们选用发光二极管的个数在26～40支的范围内。当电源电压为直流电压时，单元稳压电路可针对任意电压进行集联使用。为了得到最佳使用效果，我们在220V的控制电源下，选用了60支LED发光二极管做为一个支路。

选用硅二极管，在正向结压降为0.55V时，6支的串联总和稳压值VZ为3.3V，流过该管的正向电流IZ通过试验测量得出为7.5mA。其支路的总容量为1/C=1/C+1/C2+....+1/60，即仅为0.0783μF。

一般红色LED超高亮度的发光二极管正向工作电压VL为1.9V，若正向工作电流IL取15mA，则限流电阻R=(3.3V-1.9V)/15mA为93.3Ω，电阻功耗WR=0.015²×93.3Ω为21mW，此功耗适合于任何类型的贴片电阻。

如图4所示，恒流式单元稳压LED交通信号灯中的支路中包括与LED稳压电路集联串联的恒流控制模块，其主要作用是使整体电路在其需要的电流范围内起到恒流控制作用。其中，优选一组45mA/50V的恒流控制模块，经过试验其特性曲线如图3所示。通过特性曲线图表明，恒流控制模块的最佳工作区域在1.5V～30V之间时,其恒流控制可在23～27mA的范围内，变化电流不超过4mA。全电路电流设计不大于45mA，以做为电流储备。

根据恒流模块的特性，我们将25mA做为整体恒流设计的中心点，整个电路工作在此区域内将会起到最佳的恒流控制效果，且电路工作稳定、可靠。恒流式单元稳压LED交通信号灯在直径为300mm时，我们选用了两条支路相并联，每条支路选用60支发光二极管（如图4所示）。这样，一个恒流式单元稳压LED交通信号灯电路便可正常工作了,整体电路的构成十分简捷、方便。

上述原理也正是充分利用了普通二极管PN结的稳压特性工作原理以及恒流二极管的恒流的工作原理，对LED发光二极管的控制是先恒压而后恒流。因为稳定了电压，其电流也就自然得到稳定。

然而，理论和实际是有一定差距的。经过试验：全支路我们选用红色发光二极管共计60支，此电路在经过试验后测得：

单元稳压电路的稳压值VZ为3.31V，发光二极管的正向工作电压VL为1.88V，实际限流电阻R取75Ω，发光二极管正向工作电流IL为18.5mA，此时,流过稳压管的正向工作电流IZ为7.5mA。支路工作电流26mA，支路功率为5.72W，此电路工作稳定且功耗合理。

而后就是电路如何适应±15％的电源波动。首先我们分析220V＋15％的电路工作状况。此时电源电压为253V，根据稳压管的特性曲线，因额定电压上升，稳压管的工作电流也在同时上升，稳压值VZ的变化上升在10％左右，而工作电流与电压呈非线性变化，其动态内阻RW随电压的上升下降，因此，工作电流IZ有所增加。当电源电压升至253V时，单元稳压电路的稳压值VZ为3.42V，此时稳压管的正向工作电流IZ为8.1mA，发光二极管的正向工作电压VL为1.89V，发光二极管正向工作电流IL为19.7mA，符合发光二极管的正向工作电流范围，支路功率P=253V×（19.7mA＋8.1mA）为7.03W。反之，当电源电压降至187V时，单元稳压电路的稳压值VZ为3.04V，发光二极管的正向工作电压为1.85V，发光二极管正向工作电流为14.9mA，此时稳压管的正向工作电流为4.5mA，支路功率P=187V×（14.9mA＋4.5mA）为3.63W。

红色LED全支路试验结果见表一：

表一所测数据均为平均值

通过表一中偏差值显示，在电源电压波动为±15％即187V～253V时，其总支路电流只有8.4mA的变化量，稳压值VZ的变化量在0.38V的范围内。因此，流过LED发光二极管的向工作电流变化量仅为4.8mA，说明其亮度变化范围十分接近。而支路的总功率也只在3.63W至7.03W内变化，其支路亮度已超过400cd。

图5a-c是一组红色LED全支路测试结果的示图

我们用上述工作原理对绿色LED发光二极管电路进行测试，其限流电阻R取27Ω，支路LED发光二极管总数仍为60支，得到的全支路试验结果见表二：

表二所测数据均为平均值

表二中偏差值显示，在电源电压波动为±15％即187V～253V时，其总支路电流也只有10.8mA的变化量，稳压值VZ的变化量也在0.32V的范围内。因此，流过LED发光二极管的向工作电流变化量为7.1mA，说明其亮度变化范围也很接近。而支路的总功率也只在3.46W至7.41W内变化，其支路亮度也同样超过400cd。

图6a-c是一组绿色LED全支路测试结果的示图

通过实践表明：稳压二极管由于其属于非线性元件，因此，在流过不同的正向工作电流IZ时，其表现的稳压值也不同，例如：稳压值VZ为3.29V时正向工作电流为4.7mA，而稳压值VZ达到3.61V时，工作电流IZ则为8.4mA。不同的稳压值也将引起发光二极管不同的电流变化，但其变化范围就产品而言是可以接受的。

由此可见，当电源电压在187V～253V范围内变化时，电路能够工作稳定在其范围内，且无任何元件过载、发热，电路工作正常。其产品功率如表三所示：

表三

通过上述试验表明，恒流式单元稳压电路在一定的稳压范围内能够满足LED交通信号灯的全部技术要求，且设计巧妙、新颖，有独特的工作原理，并能形成产品，改变了传统的LED控制模式。

同时该技术还具有以下特点：

a、恒流式单元稳压电路由于没有感性元件，虽有电容，但其容量极小，使电路整体呈阻性。所以基本上没有无功损耗，功率因数COSФ≈1；

b、在同等亮度的条件下，从真正意义上实现了小功率、高亮度。

c、经济的降压方式：系统的降压没有通过变压器或电阻、电容式降压和分压原理降压，而是通过恒流式单元稳压电路实现降压。当所需产品设计少于60支以下的LED发光二极管时，单元稳压电路可直接安装一电阻实现降压，每个单元稳压电路可在功耗允许的条件下任意加装二极管的个数来满足所需降压值的设计要求，且单元降压功率很小，使整个控制系统无任何功率组件和发热元件，也使电路可以得到稳定可靠的工作。

d、无需电源及功率组件，直接降低了LED的控制成本；

e、先进的SMT贴片工艺使整个产品只做在一块电路板上，产品实现了超薄超小体积。

从一定意义上说，本产品与传统的LED交通信号灯有着截然不同的工作方式，新颖的设计理念摆脱了传统的LED控制方式，在LED的控制领域中走出了一条新路。

进一步，本产品的电路部分主要采用SMT贴片工艺，使整个产品器件完全贴敷在PCB表面。整体只有一块电路板，无任何外接辅助电路，灯盘包含LED的厚度不超过16mm。通过简单的防水处理，产品即可实现水下工作。且整体布局合理、安装简捷、维修方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种恒流式单元稳压LED交通信号灯，包括与电源连接的整流桥，所述整流桥通过与其串联的保险管与电源连接，其特征在于，还包括多个与整流桥连接的LED单元串联支路，所述LED单元串联支路包括若干个串联的LED单元，每个所述LED单元包括一只发光二极管以及与发光二极管串联的限流电阻，还包括与每个所述发光二极管与限流电阻组成的串联支路相并联的稳压电路；所述的稳压电路包括至少一个正向压降接近发光二极管工作电压的二极管，以及与所述二极管相并联的大小为4.7μF的电容，所述二极管为6个正向串联的硅二极管，或为11个正向串联的锗二极管；多个所述LED单元串联支路之间并联连接；所述LED单元串联支路还串联有恒流控制模块，所述恒流控制模块为45mA/50V；在220V的控制电源下，所述LED单元串联之路中LED单元的个数为60个；当发光二极管为红色发光二极管时，所述限流电阻取75Ω。

2.根据权利要求1所述的恒流式单元稳压LED交通信号灯，其特征在于，所述恒流式单元稳压LED交通信号灯的电路部分采用SMT贴片工艺，整个器件完全贴敷在PCB表面。