CN201462725U - 交流复合式整流控流led照明灯电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子技术领域，属电子照明技术之LED照明技术范畴。本实用新型是一种高效、实用、简单、价廉诸特点兼备的LED照明灯驱动电路，它直接使用220伏交流电，将电路获得直流电的整流过程与负载的工作过程以及电流控制三者复合为一。它不仅创新性地使直流负载处于交流电源的第1回路，避免了电源二次或三次回路带载的大量电损，并利用电流负反馈原理和温敏元件构成有效、简捷的控流电路，提高了电路的稳定性能及实用性。本实用新型的另一特点是，一种构思一种主体结构兼容多种控流器件(晶体三极管、场效应管、相关廉价IC等)的使用，方便生产取材和控制成本。

Description

交流复合式整流控流LED照明灯电路

技术领域  本实用新型涉及电子技术领域，属电子照明技术之LED照明技术范畴。

技术背景 LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称，是一种效率高、光质好、能耗小、寿命长、可靠耐用、安全环保的新型光源。LED光谱中没有紫外线和红外线，几乎全部集中于可见光频段，效率可以达到80-90％，而白炽灯其可见光效率仅为10-20％；其光通量衰减到70％的标称寿命为10万小时；废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分。在照明领域取代传统的白炽灯和荧光灯已是大势所趋。

然而，其产品的市场化进程却并未顺理成章，时至今日LED在照明领域仍不属主流产品甚至在某些地方少得一见。与白炽灯和荧光灯相比，目前的LED产品的实用性与性价比尚不占据优势。首先，作为照明产品的亮度是第一品质，普通LED单体的功率很小，一只灯具应有几十上百个单体甚至更多其亮度才能满足需要，而目前的产品多为概念型的，亮度不足；其次，效率不高，许多灯具驱动电路耗能高效率低，节能优势丧失；再者，价格高，动辄数十元上百元，相当传统灯具的长期电费。以上三者相互关联、钳制，而究其根本，都由驱动电路导致并决定。显而易见，设计并选定高效、实用、简单、价廉的驱动电路是解决问题的关键所在。

近年市面上多见的LED照明灯具驱动电路主要有以下类型：

1、电阻镇流驱动

将镇流电阻与LED串接，电流与电阻值成反比；当电源电压上升时，电阻能限制电流的过量增长，取值足够大的电阻使电流不超出LED的允许范围。此类电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低。

2、电容镇流驱动

在交流电路中，将电容串接在输入端，由于电容存在容抗，也能起到镇流作用。镇流电容电容消耗无功功率不发热，比镇流电阻，能节省一部分电能。优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。

3、稳压驱动

为LED提供稳定的电压来调节其工作电流。由于LED的伏安曲线十分陡峭，微小的电压变化对应大幅的电流变化，加之LED产品电性能存在普遍的非一致性，使得电路很不稳定。虽然简单，成本低，但实用性较弱。

4、串并矩阵

将若干个LED单体按电压和电流的要求进行串联并联组合，来增强整体的稳定性和可靠性，这类电路是以放弃LED较理想工作状态为前提，且还须辅以其它稳压、稳流方式。

5、线性恒流驱动

这类电路调整管(或IC)工作在线性状态，依据电流负反馈原理进行电流调节，从而维持电路电流的基本恒定。

线性恒流驱动电路具有电路不复杂、成本低(采用晶体管或廉价IC均可)、恒流精度高、工作可靠，但调整管工作在线性状态，在工作压差过大时会降低用电效率；电源电压要求与LED工作电压匹配，对LED负载变化的适应性差；另外供电不太方便，一般要配开关稳压电源，不能直接用～220V供电.

6、开关恒流驱动

开关恒流驱动电路调整管工作在开关状态，通常由基准电压、误差比较器、振荡器、RS触发器组成的占空比控制单元电路和驱动管、输出开关管以及外围电路构成。当LED工作电流在取样电阻上产生的压降等于基准电压时，占空比受控，输出电流就进入恒流状态。

开关恒流驱动电路能较好地解决线性恒流驱动电路功耗高、发热大、对LED负载变化的适应性差等问题，但电路复杂、元件多、成本高，尤其是构成高压大功率恒流驱动电路的核心IC器件价格不菲，令普通照明灯具难以包容。

以上各种LED照明灯具驱动电路都须使用直流供电(电容镇流驱动电路自身也须将交流变为直流)，不能直接用市电给LED灯供电，要实现这一点，需经过整流、滤波等将交流电变为平稳的直流电的过程。过程虽然简单，却是一个电能损失、效率大幅下降的过程。

传统的将交流电转变成直流电通常有半波整流、全波整流和桥式整流三种方式和等压整流、变压整流两大类型：

由于整流器件内阻等原因，全波整流、桥式整流理论效率90％左右，半波整流效率只能达到百分之45％左右，两个复合的半波整流效率也在90％左右，这种10％左右电能损耗是人们所必须接受的，留给人们选择的是整流类型，是采取等压整流还是变压整流。

1、等压整流：将交流电直接加到整流电路的输入端进行整流。它不存在电压变换损耗。但它要求负载工作电压必须与之匹配。

2、变压整流：先改变交流电的电压再加到整流电路的输入端进行整流。它存在较大的电压变换损耗，虽然它能满足各种负载工作电压的要求，但带来了电能损耗大、器件体积大、重量大、发热严重等问题。

与传统交流电转变成直流电方式和类型不同的是开关电源技术，它的效率较高，较适合为大功率用电器的供电。但技术较复杂，装置体积大、造价高，难以在普通的LED照明灯具中采用。

当前，开发研制高效、实用、简单、价廉四者兼备的驱动电路成了LED照明灯具大规模进入市场先决条件，受到了广泛的关注和期待。

发明内容  本实用新型为一种创新性的具有高效、实用、简单、价廉特点的LED照明灯驱动电路。其创新的构思为：

1、利用LED的单向导通性，将电路获得直流电的整流过程与负载的工作过程以及电流控制三者复合为一，以减少电路的元器件数目和电能损耗。理论和实践都充分证明，负载处于电源的第1回路比处于第N回路(N为整数＞1)容易实现更高的效率。例如，将两列导通方向相反数量适当且相等的LED直接连接在220V交流电上，实际上获得了两路方向相反、电压相等(大致相等)的脉动直流电，令人为之一振的是效率为100％(近似值)。当然如此简单还够不上称作是LED驱动电路，一是存在强烈令人目眩的工频闪烁，二是市电电压稍有波动都会引起LED电路电流大幅的波动，根本无法保证负载处于稳定的工作状态，极易烧毁电路中的LED。它需要与滤波电路、恒流电路等进行“嫁接”改进。

2、放弃电路复杂控流难度大的LED串并矩阵结构，利用串联电路电流处处相等原理设置控流“闸阀”，实现以局部控制整体，减少控流损耗并得以化繁为简，降低成本。

本实用新型以两列导通方向相反LED负载为主体，添加少量元器件复合以整流滤波、控流电路，组成高效率的复合式整流控流LED照明灯电路(结构框图见附图1)。其中两列中的每一单列也是一个完整的驱动及负载电路，可以独立运用。虽然其直流由半波整流获得，但未经过变压且负载处于电源第一回路，电源输入不存在半波损失，效率上限仍接近90％。

电路原理如下：以一定数量导通方向一致串联连接的LED发光管列和1只耐压保护二极管组成负载整流共同回路，将正弦交流电的一个半周(正半周或负半周)变成脉动直流，经过滤波电容和电感的作用变成平稳的直流，在负载的一端串接恒流电路，它以电流负反馈方式控制电流的变化，当因电源电压上升或LED负载(等效阻值)减少导致输出电流上升时，电路发生以下调节作用(以晶体三极管为例)：电路电流↑→取样电阻电压↑→驱动管基极电流↑→驱动管集电极电流↑→调整管基极电流↓→电路电路↓；当电路电流受扰下降时，调节作用相反，从而维持了电路电流的基本恒定。电路中还串接有热敏正温电阻，当灯具温度上升时(同时伴随电流增加)，电阻阻值增加，阻碍电流的增加，反之则减少阻值，促使电流的增加，它使恒流控制兼有温度调节性能，让LED灯具在一年四季使用都稳定可靠。

本发明有以下特点和优势：

1、线路简单，元器件普通价廉，LED发光体占所有电子元器件成本的绝大部分，整体灯具造价在10元/5W略多水平(2009年4月深圳华强北电子市场价估算)；

2、本驱动电路适合于交流功率5～6W、10～12W、15～18W、20～24W......规格LED灯具，便于商品产业化，亮度完全满足实际需要，例如5W亮度已赶超白炽灯40W、螺旋式荧光灯9W；

3、灯具用电效率在80％左右(由电路选择的控流数值和控流器件决定)，具有显著的节能效益、环保效益和经济效益；

4、具有低损耗的电流恒流控制和温度调节性能；

5、本实用新型一种构思一种主体结构兼容多种控流器件(可选择采用晶体三极管、场效应管、相关廉价IC等其一或组合)，方便生产取材和控制成本。

附图说明

1、附图1为结构原理框图；

2、附图2为交流高效复合式整流控流LED照明灯双路(三极管/电压基准IC)电路原理图，其中可一分为二的对偶独立部分为其单路电路；

3、附图3为交流高效复合式整流控流LED照明灯双路(三极管/三极管)电路原理图，其中可一分为二的对偶独立部分为其单路电路；

4、附图4为交流高效复合式整流控流LED照明灯双路(场效应管/电压基准IC)电路原理图，其中可一分为二的对偶独立部分为其单路电路；

5、附图5为交流高效复合式整流控流LED照明灯双路(三极管/电容)电路原理图，其中可一分为二的对偶独立部分为其单路电路。

具体实施方式 以下以双路(三极管/电压基准IC)电路为例，描绘本发明的具体实施方式。见附图2。

图中：

1为整流及耐压保护二极管，可采用1N4007等；

2为镇流电感，电感量宜尽量大些，小则作用不大，取消对电路无明显影响；

3为恒流电路偏置电阻，在22KΩ左右取值；

4为管压调节电阻，在3KΩ左右取值；

5为NPN三极管，可采用2N5551等；

6为三端精密可调基准IC，可采用W431、TL431、SE431等；

7为电流取样电阻，在80～160Ω之间取值；

8为滤波电容，可取值10μF/450V；

9为热敏正温电阻，在50～120Ω(标称阻值)之间选定；

10为LED串联列阵，普通照明可采用直径5毫米白光散光草帽型LED，其单体功率为0.05～0.06W。

电路工作原理如下：

220伏50赫兹正弦交流电经对偶组合的两列导通方向相反的整流和负载共同回路，形成两路300伏左右的脉动直流(220伏市电的峰值为318伏)。

两路电流相反对偶组合的回路其各单路的情形完全一样，为了方便起见，以其中的一路进行分析。于整流二极管后，回路两端并联有滤波电容(8)，虽然半波整流形成的脉动直流其大小以每秒50次的频率不断改变，但电容器的电压不能突变，成为脉动直流大小变化的反电动势(类似蓄电池)，加上电感(2)的镇流作用从而使电路中电流的波形连贯并趋于平滑。

整流与LED负载(10)回路间串接有由NPN三极管(5)和三端精密可调基准IC(6)搭建的电流控制电路(三端精密可调基准IC内部含有一个2.5V的基准电压，当在参考端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极进行很宽范围的分流，控制输出电压)。三端精密可调基准IC阴极与三极管基极相连，参考端和阳极间连接着电流取样电阻(7)，当回路电流大小改变时三端精密可调基准IC以输出电压的改变控制着三极管集电极电流的改变，以维持电路电流基本恒定。

连接三极管发射极和集电极并串接在回路中的是管压调节电阻(4)，它对三极管起分流保护作用。热敏正温电阻(9)串接在电流控制电路与LED串联列阵(10)之间，当灯具温度上升时(同时伴随电流增加)，电阻阻值增加，阻碍电流的增加，反之则阻值变小，促使电流的增加，从而减小温度变化形成的电路电流差异，以增强不同温度条件下电路工作的一致性和稳定性。

可将LED工作电流降至0.8倍额定值即16毫安左右来使用。工作电流减少，光通量虽有下降，但不明显，这有利于提高LED灯具的可靠性和光电转换效率。LED负载两端电压＝滤波电容两极电压-控流电路压降，约265伏。实验表明，以90个左右LED串联组成的负载适于匹配并能获得理想的效率。本LED灯具效率的计算十分简单，它等于LED负载功率比上交流输入功率，约在80％上下。

本电路负载匹配还可以通过改变控流三极管的管压、改变回路串联电阻阻值等方式进行.

上述两个电路互以首尾连接，其两个连接点分别连接交流电的两个输入端，即获得功率倍增的双路电路。见附图2。

本发明还包含附图3、附图4、附图5描述的LED照明灯电路，它们与图2电路均属于一个构思一个结构，而且功能相同，只不过是为其能在实际中得到更广泛的运用，在其中的控流部分设想兼容不同的元器件而产生的数个“版本”。

交流高效复合式整流控流LED照明灯(三极管/三极管)电路(见附图3)，是用两个NPN三极管构成控流电路(当然也可以用两个PNP三极管构成，但要改变电路极性)，这是利用三极管相对稳定的be电压作为基准，接成电流负反馈工作模式实现的。

交流高效复合式整流控流LED照明灯(场效应管/电压基准IC)电路(见附图4)中的差异，只是用场效应管替代了附图2中的三极管。

而附图5所描绘的交流高效复合式整流控流LED照明灯(三极管/电容)电路则是采取电解电容为控流三极管建立电压负反馈，实现对电路电流的控制。上述各电路的具体实施方式与图2电路大同小异，可按元器件厂家的产品使用说明或专业人士所周知的正确方式选择采用，无需赘述。

Claims (6)

1.交流复合式整流控流LED照明灯电路，由工作在交流电源第1回路的整流、滤波、控流器件和LED负载构成。其特征是，以适于电路电压匹配数目的LED单体进行电流导通方向一致的串联连接作为负载，负载可以是一个连续的整体也可以是该连续的整体分成的若干部分，在连接于交流电输入一端的同向整流二极管输出端与该整流二极管以及电感、负反馈恒流电路、温敏电阻采用不改变电流单向导通的任一组合与它们串联，该串联电路非整流二极管的一端连接交流电输入的另一端；整流滤波电容极性正确的一极连接到整流二极管输出端，另一极连接交流电输入的另一端，组成LED照明灯电路。

2.根据权利1要求所述的交流复合式整流控流LED照明灯电路，其特征在于，其电路可反向对偶连接组成功率倍增的LED照明灯电路，即两个电路互以首尾连接，其两个连接点分别连接交流电的两个输入端。

3.根据权利1要求所述的交流复合式整流控流LED照明灯电路，其特征在于，电路中的负反馈恒流电路兼容多种控流器件，采用NPN晶体三极管和三端精密可调基准IC的电路连接方式为：三极管的基极与三端精密可调基准IC的阴极相连，三极管的发射极与三端精密可调基准IC的参考端相连，管压调节电阻两端分别与三极管的发射极、集电极相连，偏置电阻两端分别与三极管的基极、集电极相连，电流取样电阻两端分别与三端精密可调基准IC的参考端和阳极相连，三极管的集电极、偏置电阻、管压调节电阻三者连接点处于高电位，三端精密可调基准IC阳极与电流取样电阻连接点处于低电位。

4.根据权利1要求所述的交流复合式整流控流LED照明灯电路，其特征在于，电路中的负反馈恒流电路兼容多种控流器件，采用两只晶体三极管的电路连接方式为：甲三极管的基极、发射极与电流取样电阻两端相连，甲三极管的基极与乙三极管的发射极相连，甲三极管的集电极与乙三极管的基极相连，负载调节电阻两端分别与乙三极管的集电极、偏置电阻相连，偏置电阻两端分别与负载调节电阻、乙三极管的基极相连；若采用两只NPN晶体三极管，负载调节电阻与偏置电阻连接点处于高电位，甲三极管发射极和电流取样电阻连接点处于低电位；若采用两只PNP晶体三极管，负载调节电阻与偏置电阻连接点处于低电位，甲三极管发射极和电流取样电阻连接点处于高电位。

5.根据权利1要求所述的交流复合式整流控流LED照明灯电路，其特征在于，电路中的负反馈恒流电路兼容多种控流器件，采用场效应管和三端精密可调基准IC的电路连接方式为：场效应管的栅极与三端精密可调基准IC的阴极相连，场效应管的源极与三端精密可调基准IC的参考端相连，偏置电阻与场效应管的栅极相连，负载调节电阻与偏置电阻和场效应管的漏极相连，电流取样电阻两端分别与三端精密可调基准IC的参考端、阳极相连，负载调节电阻与偏置电阻连接点处于高电位，三端精密可调基准IC的阳极与电流取样电阻的连接点处于低电位。

6.根据权利1要求所述的交流复合式整流控流LED照明灯电路，其特征在于，电路中的负反馈恒流电路兼容多种控流器件，采用NPN晶体三极管和电解电容的电路连接方式为：三极管的基极与电解电容正极相连，三极管的发射极与电流取样电阻、管压调节电阻相连，管压调节电阻两端分别与三极管的发射极、集电极相连，偏置电阻两端分别与三极管的基极、集电极相连，电流取样电阻两端分别连接于三极管的发射极、电解电容负极，负载调节电阻、三极管集电极、偏置电阻三者连接点处于高电位，电解电容负极与电流取样电阻的连接点处于低电位。

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