CN102821516A - 一种led单元及恒流式单元稳压led灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED单元及恒流式单元稳压LED控制电路，其中一种恒流式单元稳压LED控制电路，包括与电源连接的整流桥、至少一个与整流桥连接的如上所述的LED控制单元串联支路和至少一个限流电阻。本发明利用稳压管及二极管正向压降的特性，起到了全单元的稳压作用，所述的控制方式更廉价、更实用，且效率更高；此外，当电源电压低于正常供电电压时，由于全电路均工作在低于稳压值的工作状态，所低的电压被全部的单元稳压电路所均分，故所有LED的亮度均匀下降，从而在一定的电压范围内可以实现连续调光功能；实践证明：全电路可在AC/DC120V至270V的电压范围内可靠工作。

Description

一种LED单元及恒流式单元稳压LED灯

技术领域

本发明涉及一种LED单元及包括多个LED单元的恒流式单元稳压LED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、白等多种颜色。

随着我国工业的发展，各类LED的照明及显示设备已经大量得到使用，它取代了传统的白炽灯，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一般在1.9V至2.1V范围内，绿色及白色的发光二极管正向工作电压一般在3V左右，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、恒流源供电工作。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。

发明内容

本发明提供一种LED控制单元及包括多个LED控制单元的恒流式单元稳压LED控制电路，解决了现有技术中驱动LED灯的开关电源、恒流源启动电流过大带来的各种影响，在同等亮度的条件下，实现了小功率、高亮度，电源功效高，且电路工作稳定可靠。

本发明提供一种LED控制单元，包括至少一个发光二极管和并联在所述发光二极管两端的稳压电路；所述稳压电路用于实现本电路的稳定工作。

这种发光二极管并联的控制方式的并联条件是：

1、LED结压降的一致性；因为不同结压降将会选择不同的LED限流电阻，这样会给大批量生产带来不便。

2、稳压二极管的功耗很重要，特别是当LED损坏时，流过稳压二极管的电流能够保证全电路的正常工作。

本发明的有益效果是：本发明利用稳压二极管的伏安特性，均匀稳定所控发光二级管LED的工作电流；也可利用普通二极管正向压降的特性，将二极管串联使其正向压降大于发光二极管工作电压，通过限流电阻起到稳定的作用。

进一步，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

且与发光二极管及限流电阻相并联的稳压管或二极管。

进一步，所述每个限流电阻与一个发光二极管串联连接。

进一步，所述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效果是针对结压降在3V左右的发光二级管，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。

进一步的技术手段效果是针对结压降在2V至3V左右的发光二级管，采用稳压二极管的稳压值在2.2V至5.6V的稳压范围。

进一步，所述一个稳压二极管可稳定并联五组以下的LED及限流电阻所构成的单元电路。

本发明还提供了一种恒流式单元稳压LED控制电路，包括与电源连接的整流桥、至少一个与整流桥连接的如上所述的LED控制单元串联支路和至少一个限流电阻。

本发明的有益效果是：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，所述每一个或一组限流电阻与一个LED控制单元串联支路相串联。

进一步，所述至少一个LED控制单元串联支路之间并联连接。

进一步，所述LED控制单元串联支路中LED控制单元的个数在交流220V电压时为54-90个。

进一步，所述电路部分采用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为本发明具体实施例1所述的一种LED控制单元的电路图；

图2为本发明具体实施例2所述的一种LED控制单元的电路图；

图3为本发明具体实施例3所述的一种恒流式单元稳压LED控制电路的电路图；

图4a为本发明红色支路总电流曲线图；

图4b为本发明红色支路LED电压曲线图；

图4c为本发明红色支路LED电流曲线图；

图5a为本发明绿色支路总电流曲线图；

图5b为本发明绿色支路LED电压曲线图；

图5c为本发明绿色支路LED电流曲线图；

图6为电阻降压单元电路图。

附图标记：

V_L、发光二极管结电压，V_R、限流电阻压降，R、限流电阻，V_Z、稳压管稳压值，Z、二极管，Iz、过流稳压管电流，I_L、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，分别为本发明实施例1和实施例2所述的LED控制单元电路，分别以两支并联的LED发光二极管和三支并联的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，在两个和三个并联的LED发光二极管回路各串有限流电阻，此限流电阻起到限流的作用，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，在这两个实施例中，选用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。

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3所示，本发明具体实施例3所述的一种恒流式单元稳压LED控制电路的电路图的支路中包括与LED稳压电路集联串联的一个电阻，由于稳压管特性曲线决定，在其进入稳压值之前，电压值是随电流的变化而变化的，其非线性的变化范围，直接跟随了总电压的变化，因而，只要合理的选用限流电阻R1，电路便可以得到满意的控制效果。采用电阻直接降压式电路分析如下：

如图3所示，电路由70个单元稳压电路所组成，每一个单元稳压电路并入两只发光二极管，流过每一只发光二级管LED的电流为17mA，流过稳压管的电流为4mA，即总电流计算为38mA。因此，合理的选取限流电阻R1是整个电路的关键。所以，只要我们严格控制整个回路的总电流，即可用功率很小的电阻实现限流。实践中，我们对发光二极管的控制电路进行试验，全电路电流在220V时为38.8mA，总限流电阻R1两端的电压VR1=10.9V，R1的取值为280Ω，电阻上的功耗为0.42W。为分散功耗，我们采用了4只1.2kΩ/0.5W的电阻并联使用，从而使每只电阻的功耗控制在0.1W，当电源电压上升至250V时，限流电阻R1两端的电压VR1上升为17.6V，流过R1的电流上升至63mA，此时电阻上的总功耗为1.11W，每只电阻的功耗控制在0.28W，完全可以保证全电路能够正常工作。

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，采用恒流模块控制，此电路在经过试验后测得：

单元稳压电路的稳压值V_Z为3.31V，发光二极管的正向工作电压V_L为1.88V，实际限流电阻R取75Ω，发光二极管正向工作电流I_L为18.5mA，此时,流过稳压管的正向工作电流I_Z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V_Z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I_Z有所增加。当电源电压升至253V时，单元稳压电路的稳压值V_Z为3.42V，此时稳压管的正向工作电流I_Z为8.1mA，发光二极管的正向工作电压V_L为1.89V，发光二极管正向工作电流I_L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V_Z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。

恒流模块控制的红色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V_Z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4a-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V_Z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5a-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I_Z时，其表现的稳压值也不同，例如：稳压值V_Z为3.29V时正向工作电流为4.7mA，而稳压值V_Z达到3.61V时，工作电流I_Z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。

此外，恒流式单元稳压LED控制方式也可采用不使用恒流模块做为恒流控制，表四是一组不用恒流模块而采用电阻限流的试验数据，其电路如图6所示：

表四

白色LED灯的测试结果

总电压(VAC)	180VAC	190VAC	200VAC	210VAC	220VAC	230VAC	240VAC	250VAC
									总电流(mA)	13.8	19.1	24.8	31.5	38.8	47.3	55.3	63
总限流电阻R1压降(V)	3.9	5.4	6.9	8.8	10.9	13.2	15.5	17.6
									稳压管稳压值(V)	2.8	2.9	3.0	3.0	3.1	3.1	3.2	3.2
流过稳压管电流(mA)	1.7	2.0	2.7	3.3	5.0	6.7	9.1	11.8
									LED电压(V)	2.8	2.8	2.9	2.9	3.0	3.0	3.0	3.1
LED限流电阻电压(V)	0.04	0.06	0.08	0.10	0.12	0.14	0.16	0.17
									LED电流(mA)	12.1	17.1	22.1	28.2	33.8	40.6	46.2	5.12
总功率(W)	3.0	4.2	5.5	6.9	8.5	10.4	122	13.9
									总LED耗散功率(W)	2.4	3.4	4.5	5.8	7.0	8.6	9.8	11.0
其余耗散功率(W)	0.7	0.8	1.0	1.1	1.5	1.9	2.3	2.9
									发光功效百分比％	77.6	80.7	81.7	83.5	82.3	82.1	80.7	79.1

通过图3与表四的特性曲线可以看出：该电路具有很宽的电压工作范围，即可在较宽的电压范围内连续工作，从而具有调光功能。由于单元稳压电路有其独特的电路结构，当电源电压上升时，上升的电压部分将被限流电阻R1和70个单元稳压电路均摊，因此，每一个稳压单元上升的电压都非常小，由表四可以看出，当电源电压在180V至250V之间变化时，总限流电阻R1两端的电压VR1在3.9至17.6V范围内变化，也就是说：电源电压有70V的变化时，VR1的变化值只有13.7V。有56.3V的变化电压被70个单元稳压电路所均摊，均摊的结果是可以得到满意的调光效果。

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（如图6所示），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控制方式相比有着截然不同的工作原理，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。

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，贴片LED的总厚度不会超过6mm。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 (10)

1.一种LED控制单元，其特征在于，包括至少一个发光二极管和并联在所述发光二极管两端的稳压电路；所述稳压电路用于实现本电路的稳定工作。

2.根据权利要求1所述的LED控制单元，其特征在于，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且与发光二极管及限流电阻相并联的稳压管或二极管。

3.根据权利要求1所述的LED控制单元，其特征在于，所述每个限流电阻与一个发光二极管串联连接。

4.根据权利要求1或2任一所述的LED控制单元，其特征在于，所述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。

5.根据权利要求4任一所述的LED控制单元，其特征在于，所述一个稳压二极管可稳定并联五组以下的LED及限流电阻所构成的单元电路。

6.一种恒流式单元稳压LED控制电路，包括与电源连接的整流桥，其特征在于，还包括至少一个与整流桥连接的如权利要求1-4任一项所述的LED控制单元串联支路和至少一个限流电阻。

7.根据权利要求6所述的恒流式单元稳压LED灯，其特征在于，所述每一个或一组限流电阻与一个LED控制单元串联支路相串联。

8.根据权利要求6所述的恒流式单元稳压LED灯，其特征在于，所述至少一个LED控制单元串联支路之间并联连接。

9.根据权利要求9所述的恒流式单元稳压LED控制电路，其特征在于，所述LED控制单元串联支路中LED控制单元的个数在交流220V电压时为54-90个。

10.根据权利要求6-9任一项所述的恒流式单元稳压LED控制电路，其特征在于，所述电路部分采用SMT贴片工艺，整个器件完全贴敷在PCB表面。

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