CN103249197A - 一种高压交流led照明系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED照明系统技术领域，尤其设计一种用交流市电驱动的交流LED照明系统。本发明包括由至少一个高压交流LED组成的LED光源，所述LED光源通过高压交流保护电路接入到110V或220V的交流市电；所述高压交流保护电路包括至少一个当外部输入交流电压变化时为电路提供恒定电流的恒流二极管、至少一个防止外部电压突变时烧坏所述恒流二极管和/或所述高压交流LED的限流电阻，所述恒流二极管为两端结型场效应半导体器件。当外部输入电压大幅变化时，该系统的电路电流能够保持稳定，从而使系统输入功率不会大幅变动。本发明具有更高光效，更低成本，更长寿命及可更好的工作在复杂多变交流市电环境中。
Description
技术领域
本发明涉及LED照明系统技术领域，尤其设计一种用交流市电驱动的交流LED照明系统。
背景技术
半导体照明产业在全球兴起，LED（发光二极管）成为万众瞩目的焦点，而LED技术的发展也日新月异，特别是2008年以后，随着LED发光效率的提升和成本的持续降低，LED开始大规模进入照明市场.特别是户内光源内产品和户外路灯等。
LED灯具的实现目前来说主要有两种方式。第一种方式即市电（220Vac/110Vac）+LED驱动电源+直流LED（低压3.3V的单颗LED或者高压12V，18V，36V等的集成LED），用这种方式制成的灯具的优势是有较高的光效，工艺也更加简单，但是这种方式的缺点是成本高，照明系统的寿命受制于LED驱动电源的寿命。从目前的技术发展来看，LED在85度工作温度时寿命可以长达50000小时，但是由于LED驱动的寿命受制于驱动系统内部电解电容，MOS管等关键元器件的寿命，在85度工作温度时，电源寿命很难超过20000小时，这样以来，整个照明系统的寿命被大打折扣。
LED灯具的第二种方式是市电直接加高压交流LED，这种方式和第一种方式相比最大的特点就是无需驱动电源，由市电直接驱动高压交流LED。和第一种方式相比，交流LED系统由于没有驱动电源的存在使得系统的成本降低（低20%以上），更为重要的是系统的寿命不再受制于驱动电源的寿命，而是完全由高压交流LED的寿命决定，从目前产业化情况来看，高压交流LED在85度工作温度时寿命完全可以达到30000小时以上。因此，高压交流系统的寿命和可靠性远远高于第一种方式。
高压交流LED从2010年开始商业化，目前主要使用在蜡烛灯，射灯，壁灯，路灯等领域。虽然交流LED无需驱动，但是在实际使用中仍然需要接外部电路来对其进行保护。否则，在使用过程中极其容易烧坏。更重要的是，由于在实际使用环境中，市电电压并不是理想的220Vac或者120Vac，而且不断波动的。在电网稳定的地区（如一线大城市），市电约有3%-5%的波动，但是在偏远地区（如里电站较远的山区，交流电压的波动高达30%，如果不对交流LED进行外部电路防护，在实际使用过程中非常容易烧毁或者导致交流LED快速衰减，从而使其寿命大大缩短。
图1为目前较常见的一种交流LED外部驱动电路，该电路的好处是简单、成本低，但是该电路中仅有一个限流电阻R起作用，当外部输入电压大幅变动时，电阻本身并不能阻止流经交流LED的电流大幅变动。这样产生的直接后果就是交流LED的输出功率大幅度波动，特别是当外部电压向上升高时，LED的输出功率呈非线性的增大，在照明系统散热负荷一定的情况下，LED自身产生的热无法散出，这样交流LED就非常容易烧毁。下表为一颗在220Vac条件下5.5W的交流LED在200Vac到270Vac电压波动范围内的实测值：
| Item | I(A) | U(V) | (V-220)/220% | P(W) | (P-P220)/P220% | PF | lm |
| 1 | 0.01958 | 200.5 | -8.86% | 3.42 | -37.22% | 0.8725 | 284 |
| 2 | 0.02358 | 210.5 | -4.32% | 4.41 | -19.23% | 0.8877 | 336 |
| 3 | 0.02749 | 220.5 | 0.23% | 5.45 | - | 0.8997 | 399 |
| 4 | 0.03188 | 230.5 | 4.77% | 6.69 | 22.70% | 0.9106 | 454 |
| 5 | 0.03635 | 240.5 | 9.32% | 8.04 | 47.47% | 0.9198 | 506 |
| 6 | 0.041835 | 250.3 | 13.77% | 9.59 | 75.75% | 0.9154 | 564 |
| 7 | 0.056895 | 260.5 | 18.41% | 13.71 | 104.93% | 0.9253 | 774 |
| 8 | 0.075853 | 270.2 | 22.82% | 19.05 | 136.91% | 0.9297 | 1031 |
从上表可以看出，当电压从200Vac波动到270Vac时（电压变化率35%），但LED系统输出功率从3.4W增加到19W，（功率增大5.6倍），在LED转换效率一定的情况下，整个照明系统产生的热增大到原有的5.6倍。
图2为较常见的另一种交流LED的驱动电路，即RC驱动电路。这种电路和第一种相比，有较高的系统效率，同时也能有效的防止交流LED固有的频闪，但是这种电路和第一种电路一样，无法在外部电压变化时对电路起到有效的保护。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术所存在的问题而提供一种高压交流LED照明系统，本高压交流LED照明系统克服现有的交流LED驱动电路无法有效避免输入电压波动时系统输出功率大幅波动的不足，具有更高的系统稳定性和可靠性，即当外部输入电压大幅变化时，该系统的电路电流能够保持稳定，系统的输入功率和输入电压呈线性增长，从而使系统输入功率不会大幅变动。而且该发明涉及到的交流高压系统具有更低廉的成本，且可靠度较高，耐久性较好。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种高压交流LED照明系统，包括由至少一个高压交流LED组成的LED光源，所述LED光源通过高压交流保护电路接入到110V或220V的交流市电；所述高压交流保护电路包括至少一个当外部输入交流电压变化时为电路提供恒定电流的恒流二极管、至少一个防止外部电压突变时烧坏所述恒流二极管和/或所述高压交流LED的限流电阻，所述恒流二极管为两端结型场效应半导体器件。
作为优选的，所述恒流二极管为两个三极管构成的电流镜。
其中，所述LED光源包括至少4颗交流LED蓝光芯片，所述芯片外层涂覆有黄色、绿色或红色三种荧光粉涂层。
进一步地，所述高压交流LED的工作电压为50-55V。
其中，所述高压交流保护电路包括并联的正向支路和方向支路，所述正向支路由至少一个所述限流电阻和至少一个所述恒流二极管串联构成，所述反向支路由至少一个所述恒流二极管和至少一个所述限流电阻相对所述正向支路方向串联构成。
其中，所述限流电阻为贴片式或者插件式的限流电阻。
本发明的有益效果为：与原有的仅仅配置电阻的电路或者配置电阻、电容的电路相比，本发明通过加入新的恒流二极管使得当市电电压波动时，如从180Vac波动到270Vac，输入高压交流LED的电流仅有很小的变化，这样高压交流LED的输出功率和输入电压仅呈线性变化，不会对系统的可靠性带来明显的影响。本高压交流LED照明系统克服现有的交流LED驱动电路无法有效避免输入电压波动时系统输出功率大幅波动的不足，具有更高的系统稳定性和可靠性，即当外部输入电压大幅变化时，该系统的电路电流能够保持稳定，系统的输入功率和输入电压呈线性增长，从而使系统输入功率不会大幅变动。而且该发明涉及到的交流高压系统具有更低廉的成本，且可靠度较高，耐久性较好。
附图说明
下面利用附图来对本发明作进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1是现有技术中的纯电阻驱动的高压交流LED示意图；
图2是现有技术中的RC共同驱动的高压交流LED示意图；
图3是本发明220Vac输入电压下的电路结构示意图；
图4是本发明110Vac输入电压下的电路结构示意图；
图5是本发明的恒流二极管伏安特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例来对本发明作进一步的说明。
一种高压交流LED照明系统，包括由至少一个高压交流LED组成的LED光源，所述LED光源通过高压交流保护电路接入到110V或220V的交流市电；所述高压交流保护电路包括至少一个当外部输入交流电压变化时为电路提供恒定电流的恒流二极管(Current Regulative Diode，CRD)、至少一个防止外部电压突变时烧坏所述恒流二极管和/或所述高压交流LED的限流电阻，所述恒流二极管为两端结型场效应半导体器件，该器件的典型特征为当输入电压在一定范围内变化时，其输出电流基本保持恒定（或有5%-10%波动），其特征曲线如图5所示，其关键参数为恒定电流（Ih），起始电压（Vs），正向击穿电压（Vbo），动态阻抗（Zh）。作为优选的，所述恒流二极管为两个三极管构成的电流镜，或者由其他半导体元器件构成的恒流二极管器件。其中，所述LED光源包括至少4颗交流LED蓝光芯片，所述芯片外层涂覆有黄色、绿色或红色三种荧光粉涂层。进一步地，所述高压交流LED的工作电压为50-55V。其中，所述高压交流保护电路包括并联的正向支路和方向支路，所述正向支路由至少一个所述限流电阻R1和至少一个所述恒流二极管CRD1串联构成，所述反向支路由至少一个所述恒流二极管CRD2和至少一个所述限流电阻R2串联构成。其中，所述限流电阻为贴片式或者插件式的限流电阻。本实施例还至少包括一个高压交流LED，其中包括4个蓝光交流LED芯片，这4个芯片两两串联并置于该结构内，在这4个蓝光芯片之上覆盖着一层荧光粉，该荧光粉层的作用是将蓝光转化成白光。该蓝光交流LED，其正常工作电压为50Vac-55Vac。这样利用外部电路就可以将该结构连接为110Vac和220Vac，无需设计新的结构。本实施例还至少包含一个电阻，该电阻在电路中的位置可以主路或者在恒流源或者高压交流LED相连的任意支路。该电阻可以为贴片式或插件式限流电阻，其在电路中的主要作用为保护恒流二极管或者高压交流LED，防止输入电压突变对恒流二极管或者高压交流LED造成损坏。
如图1所示为纯电阻驱动的高压交流LED电路，该电路工作在220Vac市电下，电阻R仅起到限流的作用，以防交流电波动过程中（220Vac交流电从0V波动到220*1.414V=311V）对高压交流LED造成的损害，但该电流无法真正的保护交流LED，当输入电压大幅变动时，高压交流LED输出的功率变化远远大于输入电压的变化。
如图2所示为RC驱动的高压交流LED电路，同样工作在220Vac市电下，该电路同图1电路相比有着更高的效率，同时由于电容的充放电作用使得电路的频闪问题大大降低。但是该电路同样无法解决市电波动时电路功率变化过大的问题。
本发明专利的高压交流LED照明系统的电路如图3、图4所示。其包括：至少一个恒流二极管，至少一个高压交流LED和至少1个电阻。其中图3示意图为工作在220Vac市电下的交流系统，图4工作在110Vac市电下的交流系统。为了达到所需的设计功率，恒流二极管的恒流值需要和高压交流二极管的工作电流相匹配。同时，为了达到较好的恒流效果，恒流二极管的动态电阻需要远远大于高压交流LED的动态电阻（正常工作时约为10K欧）。另外，该恒流二极管的正常工作电压范围需大于实际工作环境中市电的波动的上限与正常工作的电压差，这样，市电的波动才能大部分别恒流二极管吸收。
在一优选实例中，选用两颗Onsemi公司NS145025T1G恒流二极管，恒流值为25mA，工作范围为5-50V，在交流电压的正半周期和负半周期，分别有一个恒流二极管参与工作；和恒流二极管串联的两支路限流电阻为1000欧姆；电路如图3所示工作在220Vac状态下，高压交流LED采用220Vac的工作模式，输出功率为4.5W，输入亮度值336lm，相当于传统40W白炽灯。该交流高压LED系统设计的工作中心值电压为220Vac，电压波动范围为220 ±50Vac。下表为该优先实例的实测值：
| Item | U(V) | (V-V220)% | I(A) | P(W) | (P-P220)% | PF | (lm) | (lm/W) |
| 1 | 200 | -8.91% | 0.0164 | 4.09 | -8.81% | 0.87 | 341 | 83.282 |
| 2 | 210 | -4.36% | 0.0198 | 4.30 | -4.26% | 0.89 | 344 | 79.918 |
| 3 | 221 | 0.23% | 0.0226 | 4.49 | - | 0.90 | 336 | 74.682 |
| 4 | 230 | 4.73% | 0.0246 | 4.94 | 10.08% | 0.92 | 338 | 68.318 |
| 5 | 241 | 9.32% | 0.0258 | 5.16 | 14.91% | 0.93 | 343 | 66.471 |
| 6 | 251 | 13.86% | 0.0264 | 5.43 | 20.83% | 0.94 | 368 | 67.847 |
| 7 | 261 | 18.41% | 0.0270 | 5.75 | 28.02% | 0.95 | 358 | 62.247 |
| 8 | 271 | 22.95% | 0.0272 | 6.08 | 35.40% | 0.95 | 371 | 60.976 |
从上表可以看出当工作电压从220Vac波动到270Vac时，系统功率波动幅度约35.4%，相比传统的纯电阻驱动模式（系统功率波动幅度为556%），本发明专利所涉及的高压交流LED系统稳定性和可靠性大大增加。
本发明专利所述的高压交流LED系统涉及到的恒流二极管和交流LED的工作电流必须匹配，因此，作为本发明的另一优选实例，即工作在110Vac市电的高压交流LED照明系统，该系统的工作电压波动范围为110Vac-160Vac，正常工作时电流范围为45mA-50mA，同样以Onsemi的公司NS145025T1G恒流二极管为例，由于其恒流值为25mA，因此要达到50mA的工作电流，需要2颗NS145025T1G并联，从而实现对系统的扩充。作为本发明的第三优选实例，高压交流系统需要工作在25mA，同时电压波动范围为220Vac-300Vac，同样使用Onsemi的公司NS145025T1G恒流二极管，由于其正常工作的电压范围为5-50V，因此要实现更宽的电压范围，如本实例所述的80Vac，就需要使用两颗NS145025T1G串联，进一步对该系统进行扩展，使其能够工作在更宽电压，更大电流的交流照明系统。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种高压交流LED照明系统，其特征在于：包括由至少一个高压交流LED组成的LED光源，所述LED光源通过高压交流保护电路接入到110V或220V的交流市电；所述高压交流保护电路包括至少一个当外部输入交流电压变化时为电路提供恒定电流的恒流二极管、至少一个防止外部电压突变时烧坏所述恒流二极管和/或所述高压交流LED的限流电阻，所述恒流二极管为两端结型场效应半导体器件。
2.根据权利要求1所述的高压交流LED照明系统，其特征在于：所述恒流二极管为两个三极管构成的电流镜。
3.根据权利要求1或2所述的高压交流LED照明系统，其特征在于：所述LED光源包括至少4颗交流LED蓝光芯片，所述芯片外层涂覆有黄色、绿色或红色三种荧光粉涂层。
4.根据权利要求3所述的高压交流LED照明系统，其特征在于：所述高压交流LED的工作电压为50-55V。
5.根据权利要求1所述的高压交流LED照明系统，其特征在于：所述高压交流保护电路包括并联的正向支路和方向支路，所述正向支路由至少一个所述限流电阻和至少一个所述恒流二极管串联构成，所述反向支路由至少一个所述恒流二极管和至少一个所述限流电阻相对所述正向支路反向串联构成。
6.根据权利要求1所述的高压交流LED照明系统，其特征在于：所述限流电阻为贴片式或者插件式的限流电阻。
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