CN202310178U - 一种市电下简易led恒流源电路 - Google Patents

Abstract

一种市电下简易LED恒流源电路，在宽电压幅度范围的市电：交流220V50Hz下，主要通过RC阻容电路和三极管恒流电路组成，其组成电子元件是普通的电阻、二极管，三极管和储能放电的电容、电感，将电流转换给多个串联LED负载终端用，通过合理搭配和精确设计达到整体高效率86%以上（最高95%左右）工作；另外，本电路具有软启动功能和防浪涌、防短路和防开路的保护功能，过压保护和过流保护的功能，有效保障其对LED灯串负载的恒流输出的稳定性。本实用新型是总体成本低且又容易实现，克服了传统的RC阻容方式的LED电源的诸多不足处，是一种市电下的经济实用的高效率的LED恒流源设计方案。一种市电下简易LED恒流源电路，是在市电下依次通过普通电子元件组成的滤波及过压保护电路和RC阻容电路，整流电路，滤波及过流保护电路和恒流电路，电连接至LED灯串负载电路，一起实现了恒定电流输出供给LED灯串负载。

Description

一种市电下简易LED恒流源电路

技术领域

本实用新型涉及到用于LED负载的非隔离型恒流源驱动的电源技术，在交流市电下，一种低成本并容易实现的高效率且稳定工作的恒流源电路。 

背景技术

在市电：交流220V50Hz下的LED恒流电源，除了昂贵的隔离型开关电源外，现在市场上大多采用传统的低成本非隔离型RC阻容方式LED电源，其总效率最高60%左右。这种传统的RC阻容方式LED电源容易受市电网电压波动的影响，特别是在开关时或有脉冲高电压时，通过LED负载的瞬间电流过大而导致其LED芯片损坏，暴露出该电源本身的低性能和不稳定；而且这种传统的RC方式LED电源本身设计中，电阻等元件较大功率工作，发热损耗大容易老化损坏，致使电源整体效率较低，性能不稳定且也影响其寿命较短。 

  一方面，因上叙这种传统RC阻容方式的L ED电源弊端原因而受到大多数厂家的唾弃，而往往倾向于采用昂贵的开关电源方案，从而给普通老百姓选择用LED灯从经济上加高了门栏。而另一方面，在近几年刮起的LED绿色照明的普及风下，一些厂家为了实现LED灯的低成本普及大众，仍然使用这种传统RC方式的LED电源电路，而给消费者带来新光明的同时也带来了许多负面影响。。

发明内容

本实用新型是在宽电压幅度范围的市电：交流220V50Hz下，主要通过RC阻容电路和三极管恒流电路组成，其组成电子元件是普通的电阻、二极管，三极管和储能放电的电容、电感，将电流稳定转换给多个串联LED负载终端用，通过合理搭配和精确设计达到整体高效率86%以上（最高95%左右）工作；另外，本电路具有软启动功能和防浪涌、防短路和防开路的保护功能，过压保护和过流保护的功能，有效保障其对LED灯串负载的恒流输出的稳定性。本实用新型是总体成本低且又容易实现，克服了传统的RC阻容方式的LED电源的诸多不足处，是一种市电下的经济实用的高效率的LED恒流电源设计方案。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：利用电感电容的储能缓冲作用，实现市电下的浪涌保护和滤波；同时利用了电感电容的储能放电的这种将无用功转化为有用功的作用，促使其高效率；利用三极管的电流放大作用和二极管的钳压作用，通过限流电阻，一起实现恒流源的主体作用，实现电流绝大多数稳定转换给串联LED负载终端用，同时使其他电子元件以很低电流下工作而最大限度降低其自身功率损耗，进一步促使LED恒流源的整体高效率。 

本实用新型的有益效果是： 

1．   在较宽的电压幅度范围的市电(交流220V50Hz)下其 稳定运行,比如180~250V电压幅度范围（具体根据实际需要也可以调整设计为更大范围），有利于LED灯具的更好普及使用；

2．    其软启动、浪涌保护和效滤杂波及异常保护，能有效保障主体电路的正常运转，丰富和改善了传统RC阻容方式电源的性能；

3．    通过电感、电容储能元件和三极管的使用，对电路的整体效率提升非常明显，其自身发热损耗和电磁污染都非常小；

4．    由于元件的动态特性的调节作用，在电压幅度波动的市电下能实现恒流电路的稳定输出，增强了电路的自调节性的稳定性能；

5．  其所有采用的元件是很普通的，总成本低，对LED恒流源电路的实现和普及非常容易，也便于进一步改进、扩展和集成。

附图说明

图1是：本实用新型用于38个LED灯串负载的恒流源电路设计案例图；

图2是：本实用新型的原理框图；

下面结合附图和实施案例对本实用新型进一步说明。

一、本实用新型的工作原理 

如图2所示，本实用新型，在市电下依次通过普通电子元件组成的滤波及过压保护电路和RC阻容电路，整流电路，滤波及过流保护电路和恒流电路，电连接至LED灯串负载电路，一起实现了恒定电流输出供给LED灯串负载；

本实用新型的主体分为RC降压整流滤波和三极管恒流两大部分，其工作原理下面具体给以分别说明（如图1所示）：

1、RC降压整流滤波部分：　在市电接入处用电容C0（滤除高频杂波）和压敏电阻RV1（滤除高压波）滤波后,得到220V正常交流电压波进入经R0检流电阻（过流保护后续电路），再经过R1C1阻容电路动态降压，进入二极管电桥即硅桥整流后变成直流电压波，再经过电容C2（储能放电）和电容C3（滤除剩余高频杂波）滤波后，电压Vc波形趋于平整，此处大约300V；

补充说明：在关断电源后，RV1为C0放电；R1为C1放电；而后面电路中为C2和C3放电的是L1和R2、R3回路；这样使电路在关断后不带电更安全；

2 、三极管恒流部分：　　上述电压波Vc分２路进入本部分电路：一路直接电压加到三极管Ｑ1的集电极，另一路经过L1电感后，电流波形变平整，再经过R2分压限流后再分三路：一路经白色发光二极管D5输出到负载，D5两端电压钳位为Vf=3.2~3.6V(一般取值为3.2V)；第二路加到三极管Ｑ1基极；第三路经过R3汇流到地端。三极管Ｑ1的发射极形成电流Ie经限流电阻Re输出到负载,而且由于D5两端电压钳位，电流Ie=(Vf-Ｖbe)/ Re；

三极管Ｑ1（以硅管为例）的，管压降为Ｖbe=0.3~0.5 V（一般取值为0.3V）; 

由于二极管管压降Vf=3.2~3.6V远大于三极管的Ｖbe一个数位级，那么三极管受温度影响其管压降Ｖbe，对Ie的影响很小可以忽略。发光二极管D5大多工作于小电流（Id=0.77～2mA）状态，发热很小，其管压降Vf很稳定。

正常市电下时，即Vi=220V，取D5的管压降为Vf=3.2V，则：

Ie=(Vf-Ｖbe)/ Re；

Ie= (3.2-0.3)/300=0.01067A=10.6667mA（约为10.67mA）; 

如果取Vf’=3.6 V，则：

Ie’=(3.6-0.3)/300=0.01A=11mA; 

相比电压正常时Ie=10.67mA，变化很小（0.33V，约3%）；

下面方便计算，一般取值Vf=3.2V，Ie=11mA；

从上面数据, 所以得出：

结论１）：Ie不容易受电子元件温度影响；

结论２）：Ie大小由限流电阻Re决定；

总体看来，此恒流源的输出电流Io= Ie+ Id；

三极管Q1的电流放大系数取值：β=40，Ib= Ie/β，输出电压Vo即等于LED串负载的电压Vfn，Vo=Vfn=n*fn=38*3.2=121.6V，那么D5的导通电流(正常市电下)：

Id=I2-I3-Ib=( Vc–Vo- Vf)/R2-(Vo+Vf)/R3-Ie/β;

=( 1.5Vi–Vfn -Vf)/R2-(Vfn+Vf)/R3-Ie/β;

=(1.5*220-121.6-3.2)/100-(121.6＋3.2)／300-11/40；

=2.052-0.416-0.275=1.3715mA;(约为1.37 mA) 

所以，Io= Ie+ Id=11+1.37=12.37mA；

另一个情况：市电幅度小，比如Vi=180V时，那么同理对应得出Id’=0.77 mA;

Io’=10.67+0.77=11.44 mA; 

从计算数值可得出

结论3）：Id由Vi即市电的电压幅度大小决定，同时也受D5管压降Vf很小影响；

如果市电幅度范围Vi=180~250V，那么同理对应得出

D5的导通电流的范围：Id=0.77~1.82 mA;

          而对应输出电流的范围：Io=11.44~12.82 mA;    

由此可见，Ie远大于Id一个数位级，Io主要由Ie决定；

因为在上面（结论２）:Ie大小由限流电阻Re决定，所以作出

结论4）：本实用新型电路的总输出电流Io由限流电阻Re决定；

本实用新型的这个带38LED负载的恒流源电路设计案例，可以用在电压幅度范围在180~250V的市电内，输出电流为Io=12 mA，波动小于1 mA。 

二、本实用新型的其他功能的设计思想

1．软启动

如图1所示，软启动功能由电容C1，C2和电感L1来实现。启动后，交流市电输入，通过C1，C2储能并对电压缓冲而平缓进入后面电路，而L1则通过储能使电流缓冲而慢增大至正常电流。常识上：电容特性是通高频阻低频，电感特性是通低频阻高频，电感和电容的缓冲性是互补的；这样经过C1、C2和L1的储能缓冲，使整个电路软启动，压低了对其他电子元件的冲击损伤，保障了对LED负载的电流冲击保护，也保障电子元件在正常环境中运行得以延长寿命；

2．限压滤波，防止浪涌，实现过压和过流保护

通过电容C0=0.01uF，C3=0.1uF的滤出市电中的高频脉冲杂波，通过压敏电阻RV1（型号7D471K）实现对大的浪涌电压（大于300V）的 瞬间转换为低阻吸收掉，还通过电容C1，C2和电感L1上叙的互补的缓冲作用对浪涌电流的直接缓冲阻挡，实现防浪涌保护、过压保护和过流保护，保障各个元件工作于正常电压电流环境中而电路整体得以正常运转，同时延长电子元件的使用寿命；

3．电路设计多级元件的高抗压抗流能力和自保护

从大体上讲，压敏电阻RV1选型为7D471K，在交流市电下，对正常电压毫无影响，但对高压杂波RV1会瞬间瞬间转换为低阻给以直接吸收。通过查压敏电阻参数表可知道：交流下的额定工作电压是300V；

 那么对于小于300V的电压波可通过RV1，即使忽略R1，C1和LED负载的分压作用，进入恒流源部分产生的最大电流I2=（300*1.5-120）/100k=3.3mA（注：为计算简便设定负载电压为120V,下面相同）, 对于吸收电流最多的发光二极管D5的最大电流是20mA,是完全可以承受的且有很大的富余；对于三极管Q1也没问题；对于电阻R3=300K分流后吸收更没有问题;

假如电路出现1000V瞬间高压，即使不考虑RV1、C0、C2、C3和L1的吸收缓冲保护，本设计方案还有两方面保护能力：

（1）压敏电阻RV1会瞬间给以瞬间转换为低阻直接吸收掉； 

（2）恒流源电路部分变化的电流主要被R2吸收,且其电流为I2=（1000-120）/100k=8.8mA，对于R2=100K/1W来说，因功率大大超出R2负荷力而会熔断，继而使三极管Q1基极断电而罢工（呈现高阻态），使后面的其他元件得到保护；

这在LED恒流源本身能自保护能力内，以牺牲最廉价的1个电阻而保护整个电路。

 4．短路保护、过流保护和开路保护

对于电阻R0=1Ω/0.25W，能承受最大电流是I(R0)=0.5A,对于电路正常工作毫不影响，但对于短路或过流（大于0.5A），R0将因为超过额定功率而熔断，从而断掉电路的电源而起到保护作用；

如果LED负载故障而开路时，分析恒流源部分电路容易看出，发光二极管D5和三极管Q1的单向导电性决定Q1基极无电流而停止工作；整个电路通过R2、R3形成回路且组成一个400K负载，整个电路进入uA级微功耗的保护状态工作中；

对于LED负载短路，恒流源部分产生的电流变化不大，而且恒流源部分会自消耗掉：Ie =11.mA不变，R2的电流（ 最大峰值）I2=（300*1.5-0）/100k=4.5mA，R3上电流I3=3.6/300k=0.012mA变小，而D5上的电流Id=I2-I3- Ie/β=4.5-0.012-11/40=4.213 mA,毫无疑问，各元件的电流都在正常范围内而可以顺利消耗掉的。

具体实施方式：

一、以一路38个LED的负载为例具体说明设计方案

一般来说对于白色小功率LED照明来说，发光效率最佳时LED电流为13~15mA (最大20mA) ,每个LED的管压降约Vf1=3.2~3.6V;那么：38个LED串联成一路，则38个LED总的管压降为:Vfn=38X3.2=121.6V；而通常使用三极管Q1是耐压Vcb为400V的NPN硅管比如型号13003，Q1的管压降为:Vbe=0.3~0.5V;    

市电为交流电压：Ui=220V，频率为 f=50.Hz;

市电通常经过整流后的电压为:UI=1.5* Vi=1.5*220V=330V

1．首先，本方案总体是RC的电容动态降压实现电流限制，所以先确定RC阻容电路中的电容C1：

电容C1的容抗：Zc1=1/2πf(C1); 电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。电容值与电流成正比；

以1uF的电容为例，采用全波整流可得到的电流（平均值）为： 

 I=0.89*V/Zc=0.89*220*2*π*f*C 

  =0.89*220*2*3.14*50*C=61481C 

  =61481*0.000001=0.061A=61mA

而在此电路中，考虑38个LED分配去约120V电压，假定Io=13mA，那么根据电压与电流成正比，那么得到：

(UI- Vfn)/220*1.5= I1/Io 

(220*1.5-120)/ 220*1.5= I1/13  

I1=20.42857 mA，我们整取值I1=20.mA，

那么根据电容值与电流成正比，得到：

I1/ I= C1/C；

20/61=C1/1 ,得出C1=0.328uF ;

根据电容规格表，最后取得C1=0.33 uF

2．其次，本方案最重要的恒流源部分，要确定Re值：

恒流源部分输出电流Io= Ie+ Id ; 

Ie=(Vf-Vbe)/Re; 

所以，Re= (Vf-Vbe) /(Io-Id)

由于恒流输出电流Io主要由Re决定; Id较小，最大为2mA;为简化计算，可以考虑取值：Id=2mA;   Vbe=0.3V， 那么，

Re=(Vf-Vbe)/(Io-Id);

Re=(3.6-0.3)/(13-2)=0.3KΩ=300Ω，此电阻精度要1%，一般用金属膜电阻；

3．其他电子元件的要求。最重要的检查二极管D5和三极管Q1：

       D5是白色发光二极管5mm散光型插件，对于大多数厂家的LED的管压降是Vf1=3.2~3.6V；如有变化，要根据实际情况来重新确定限流电阻Re的值；

三极管Q1通常使用是耐压Vcb为400V耐流0.6A的NPN硅管，比如普通型号13003等，管压降是Vbe=0.3~0.5V，就可以了；

其他元件很普通，按照图1上要求的一般元件取得即可。

二、本实用新型的实际电路的测试参数

1．测试环境：

6月3日 星期五  温度：28~35摄氏度；

使用工具：数字万用表（型号ST830L），专业多功能计量插座（万方牌），数字温度计；

2.测试参数记录表 

本实用新型的实际恒流源电共8个（电路及元件完全相同如图1）；

共8个负载分为两种类型：

一类：编号为L1~L4:白色LED：34个+红色LED：4个，串联为一路;

另一类：编号为L5~L8:白色LED：31个+红色LED：7个，串联为一路；

分两个时段测试：用电高峰期（早上9:00~10:00）和用电闲暇期（早上6:00~7:00）；

1. 用电闲暇期测试数据及其分析

表一：用电闲暇期负载测试数据记录表：

表二：用电闲暇期分析计算数据表：

负载编号	PL=Vo* Io	η1=(PL/P)*100%	η0=[PL/(Pn/n)]*100%
				L1	1.428768	89.298	90.715
L2	1.43553	89.721	90.144
				L3	1.437816	89.864	91.289
L4	1.430784	89.424	90.843
				L5	1.424375	89.023	93.402
L6	1.419828	88.739	93.103
				L7	1.413516	88.344	92.690
L8	1.405392	87.839	92.157
				参数说明	负载消耗功率	单体效率	平均效率
单位	W/瓦特	%	%

2. 用电高峰期测试数据及其分析

表三：用电高峰期负载测试数据记录表：

表四：用电高峰期分析计算数据表：

负载编号	PL=Vo* Io	η1=(PL/P)*100%	η0=[PL/(Pn/n)]*100%
				L1	1.316232	87.749	90.775
L2	1.35531	90.354	93.496
				L3	1.351175	90.078	93.184
L4	1.32653	88.435	91.485
				L5	1.38	92.000	98.571
L6	1.342351	89.490	95.882
				L7	1.30944	89.296	93.531
L8	1.30974	87.316	93.553
				参数说明	负载消耗功率	单体效率	平均效率
单位	W/瓦特	%	%

其他实验说明：

在6月4~25日期间，在室内自然温度下（无空调、风扇等任何降温散热措施）持续不间断供给市电，让上叙带本实用新型LED恒流源电连接8个LED负载灯点亮。本期间本实用新型的恒流源和LED负载的元件都完好无损； LED恒流源电路发热最大处高于周围室温4~9摄氏度（用数字温度计测得）；

综上数据，总结本实用新型的LED恒流源电路的特点为：

1．采用的电子元件为电阻、电容、电感、二极管、三极管：普通易购，低成本易实现；

2．市电下对LED负载的输出电流稳定，电流波动（小于1%）很小，幅度小于0.1mA;

3．整体电路的效率高：大于86%，最大约95%左右；

本电路持续长时间（500小时）工作稳定，内部元件发热量很小：最高发热高于周围室温9摄氏度，反映其整体功率损耗很低。

Claims (2)

1.一种市电下简易LED恒流源电路，在市电下依次通过普通电子元件组成的滤波及过压保护电路和RC阻容电路，整流电路，滤波及过流保护电路和恒流电路，电连接至LED灯串负载电路，一起实现了恒定电流输出供给LED灯串负载，其特征是在市电下主要通过RC阻容电路和一些电阻、电感、电容，三极管及二极管组成的三极管恒流电路的简易结构，实现降压滤波、防浪涌保护及短路保护、开路保护、过压保护、过流保护和软启动功能，有效保障其对LED灯串负载的恒流输出的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种市电下简易LED恒流源电路，其特征是：通过电阻并联三极管集电极，限流电阻串联三极管发射极和发光二极管并联，一起组成的三极管恒流电路简易结构，一起实现恒流源的主体作用，同时最大限度地降低自身的功率消耗，促使整体方案在市电下转换成恒流输出的高效率。

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