CN201663732U - 交流220伏led照明灯电容变压电路 - Google Patents
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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，为交流220伏LED照明灯电容变压电路。其创新之处是：按照负载工作电压约等于整流输出电压(平均值)除以电容器数目N的要求确定电容组合，以晶体管作为电容组合的串联/并联变换开关，以整流输出的脉动电流(电压)为开关同步信号，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现高效率的电压变换。该电路性能可靠、造价低廉，尤其适于1W、2W、3W、4WLED等台灯、过道灯、装饰灯等民用照明灯的制造，使它们成为LED迅速进入寻常百姓家庭的开路产品。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术，属电子照明技术之LED照明技术领域。
技术背景
LED(Light-Emitting-Diode)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，在照明领域取代光电效率极低的和白炽灯和污染环境的荧光灯(汞元素及高频电磁污染)已是大势所趋。由于LED为低压直流器件(白光LED单体额定电压一般为3～3.5伏)，采用交流220伏供电需要通过交直流变换且输出电压与负载适配的驱动电路。
目前交流LED灯的驱动电路的方案和类型主要有：
1、等压整流方案：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。举例说，220伏交流电直接整流后得到约300伏的直流电，经过稳压恒流电路，与之适配的白光LED串联单体为85～95个，这给负载大小的自由选定带来不便，无法满足产品规格多样化的要求。
2、降压整流方案：先降低交流电的电压，再加到整流电路进行整流。主要有变压器类型和阻容降压类型。
变压器类型存在较大的电压变换损耗，如用铁芯变压器降压后再整流，效率很低。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。这种类型难以在LED节能灯中采用。
阻容降压类型是在交流电的输入端串联一个电容(同时并联一只泄放电阻)，以降低整流电路输入端的交流电压来达到降压的目的。优点是简单、造价低、无电磁辐射，遗憾的是电容形成无功功率损耗，电容压降越大、负载阻值越小，电路的效率越低。用阻容降压电路驱动的LED 1W灯，交流输入功率竟达5W，苛求地说成了非节能灯。
3、IC开关电源方案：这类驱动电路可以实现较高的效率，可以 为60～95％，但技术较复杂，电路元件多、造价高，并存在一定的高频电磁辐射。别的姑且不论，仅造价高一项就让LED照明灯的性价比打了一个大折扣。
当前，开发研制高效、简单、价廉、实用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
本发明为一种高效、简单、价廉、实用特点的交流220伏LED照明灯电容变压电路。其创新之处为：
采用电容器(以下简称“电容”)组合作为电压与电流转换的中介载体，以电容组合的串联充电与并联放电交替进行实现电压变换，按负载工作电压要求确定电容组合中的电容数目N，按负载工作电流要求确定电容的容量，将电容与若干晶体二极管连接成能在整流器件输出相对高电压时被串联充电、整流器件输出相对低电压时各电容能并联放电的电路结构，并以晶体三极管作为电容组合的串联/-并联变换开关，以整流输出的脉动电流为开关同步信号，来高效实现配于负载的电压调节。
采用NPN三极管作为电容组合的串联/并联变换开关为本电路的基本类型，当电容组合中的电容数目为N时，电容组合的第一电容的负端连接整流输出负端防逆二极管的正极，第一电容正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，第N电容的负极连接开关晶体管的集电极、正极连接到整流输出端的正端，第一电容正极与后电容负极连接一只与电源正向的二极管，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些(个)电容的负极经过与电源反向二极管连接在整流输出负端防逆二极管的正极上、正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前电容正极与后电容负极连接一只与电源正向的二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻与可调电阻串联，固定电阻的另一端与整流输出端的正极相连，可调电阻的另一端与整流输出端的负极相连，三极管基极与可调电阻的可调端相连，发射极连接整流输出负端防逆二极管的正极，第N电容的正负极分别为电容变压电路输出的正负两端；
当采用PNP型三极管作为电容组合的串联/并联变换开关，依照上述电路作满足PNP型三极管电源极性要求的变动。
采用场效应晶体管作为电容组合的串联/并联变换开关，按照N沟道场效应管对应NPN三极管、P沟道场效应管对应PNP三极管，和场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。
电路置于220伏交流电整流输出端，当脉动直流电处于波形上部时，三极管截止，电路向N只串联电容器充电，每只电容的充电电压约为电路峰值电压的N分之一；当脉动直流电处于波形下部时，三极管导通，N只电容器以并联方式放电，电路输出电压约为电路峰值电压的N分之一，输出电流约为整流输出电流平均值的N倍。如此持续循环，电路便实现了电压由高变低的高效率变换。其特点是：
1、选择电容的数目N从而决定输出电压的高低和电流的大小，V2＝V1/N(式中V1为整流获得的直流电压平均值、V2为输出的直流电压平均值)；I2＝N·I1(式中I1为整流获得的直流电流平均值、I2为输出的直流电流平均值)，。
2、输出电流的大小与电容容量成正比，同时也与负载的阻值相关；
3、除开关三极管和单向导通的二极管外，电容基本不消耗电能，效率可达90％以上；
4、经桥式或全波整流，电容充电放电频率为每秒100次，经半波整流，电容充电放电频率为每秒50次，因此无高频电磁辐射消耗和污染；
5、电容的充电放电有效地抑制了电网杂波对负载的影响，电路工作状态稳定，宜于与稳压恒流电路衔接，组成高质量高效率的LDE驱动电路。
6、电路简单，元器件普通价廉，与廉价的阻容降压电路成本相差无几，效率却成倍提高，尤其适于1W、2W、3W、4WLED等台灯、过道灯、装饰灯等性优价廉民用照明灯的制造，使它们成为LED新型绿色节能光源迅速进入寻常百姓家庭的开路产品，具有显著的节能效益、环保效益和经济效益。
附图说明
1、附图1为原理示意图；
2、附图2为电容组合结构示意图；
3、附图3为一例1.5W交流220伏LED照明灯电容变压电路。
具体实施方式
本发明的原理框图见附图1，电容组合结构示意图见附图2，实例电路图见附图3。附图3中：
1为硅整流桥，采用1A/400V；
2为高频滤波电容，采用102/630V；
3为三极管基极信号固定电阻，采用1/4W300KΩ；
4为三极管基极信号可调电阻，采用1/4W100Ω；
5电路防逆二极管，采用1N4007；
6第一电容，采用3.3μF/400V电解电容；
7为第一电容放电高电位二极管，采用1N4007；
8为第二电容与第一电容充电通路二极管，采用1N4007；
9为第二电容，采用3.3μF/400V电解电容；
10为第二电容放电高电位二极管，采用1N4007；
11为第二电容放电低电位二极管，采用1N4007；
12为第三电容与第二电容充电通路二极管，采用1N4007；
13为第三电容，采用3.3μF/400V电解电容；
14为开关三极管，采用MPSA42；
15为输出端正极；
16为输出端负极。
电路工作原理如下：
220伏50赫兹正弦交流电加至硅整流桥1的输入端进行整流，在输出端形成300伏左右(220伏市电的峰值为318伏)每秒100次的脉动直流。
当脉动直流电处于波形上部时，开关三极管(14)截止，电路向三只串联的电容器充电(电流从整流电路输出端正极→第三电容(13)→第三电容与第二电容充电通道二极管(12)→第二电容(9)→第二电容与第一电容充电通道二极管(8)→第一电容(6)→电路防逆二 极管(5)→整流电路输出端负极)，每只电容的充电电压约为电路峰值电压的1/3，约100伏；当脉动直流电处于波形下部时，三极管导通，电容6、9、13连接成并联方式放电，电路输出电压约为电路峰值电压的近1/3，且电流约为整流输出电流的3倍。这样，电路中3只电容器的无功功率均转化为有功功率，实现了电能在降压过程中的高效率转化。
采用市场普通元件搭建本电路，实验给出以下数据：220伏交流输入电流6.72毫安，在负载电阻为5.5KΩ时，直流输出约79.5伏16.1毫安，效率为86.60％。此电路后续简单的三极管恒流电路，驱动24只白光3528贴片LED，电路工作稳定，交流输入功率1.48W，LED负载耗能1.21W，而同样负载，若采用市面常见的阻容降压整流电路，则220伏交流输入电流达21.3毫安，耗能4.69W(包括无功功率和有功功率)，交流220伏LED照明灯电容变压电路的节能和效益优势自不待言。
Claims (3)
1.所述交流220伏LED照明灯电容变压电路，其特征是，按负载工作电压要求确定电容组合中的电容数目N，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现电压变换，当采用NPN三极管作为电容组合的串联/并联变换开关、电容组合中的电容数目为N时，电容组合的第一电容的负端连接整流输出负端防逆二极管的正极，第一电容正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，第N电容的负极连接开关晶体管的集电极、正极连接到整流输出端的正端，第一电容正极与后电容负极连接一只与电源正向的二极管，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些电容的负极经过与电源反向二极管连接在整流输出负端防逆二极管的正极上、正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前电容正极与后电容负极连接一只与电源正向的二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻与可调电阻串联，固定电阻的另一端与整流输出端的正极相连，可调电阻的另一端与整流输出端的负极相连，三极管基极与可调电阻的可调端相连，发射极连接整流输出负端防逆二极管的正极，第N电容的正负极分别为电容变压电路输出的正负两端；
当采用PNP型三极管作为电容组合的串联/并联变换开关，依照上述电路作满足PNP型三极管电源极性要求的变动。
2.根据权利1要求所述的交流220伏LED照明灯电容变压电路，其特征在于，采用场效应晶体管作为电容组合的串联/并联变换开关，按照N沟道场效应管对应NPN三极管、P沟道场效应管对应PNP三极管，和场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。
3.根据权利1要求所述的交流220伏LED照明灯电容变压电路，其特征在于，所采用的电容器件，包括电解电容和无极性电容。
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