隨著LED的發(fā)展以及節(jié)能減排的國際大勢,LED燈具及光源向民用市場大規(guī)模進(jìn)軍。而作為民用光源里面最為普遍的白熾燈,歐洲已經(jīng)在2012年禁止白熾燈生產(chǎn)和銷售,美洲在2014年也禁止了40W及其以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售。
中國已于2012年10月禁止了100W以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售,同時(shí)在2014年10月1日禁止60W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售,將于2016年10月1日禁止15W及以上白熾燈的生產(chǎn)和銷售。
在這大勢下,作為白熾燈的直接替代光源,LED球泡燈的用量將得到巨大的提升。其品質(zhì)也會參差不齊。作為LED球泡燈內(nèi)部不可或缺的驅(qū)動(dòng)電源,其品質(zhì)很大程度上決定了一個(gè)球泡燈的安全與否及品質(zhì)好壞。
驅(qū)動(dòng)電源基本分為非隔離驅(qū)動(dòng)及隔離驅(qū)動(dòng)兩大類:
一、非隔離驅(qū)動(dòng)
非隔離驅(qū)動(dòng)(non-isolated power)是指在輸入端和負(fù)載端之間沒有通過變壓器進(jìn)行電氣隔離,而又直接連接,輸入端和負(fù)載端共地,因此觸摸負(fù)載就有觸電的危險(xiǎn)。
目前用得最多的是非隔離直接降壓型驅(qū)動(dòng)。也就是把交流電整流以后得到直流高壓,然后就直接用降壓(Buck)電路進(jìn)行降壓和恒流控制,非隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低、簡單、體積小、效率高。
當(dāng)非隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí),使用鋁材(金屬)外殼無法做到安全性的標(biāo)準(zhǔn)(輸入對外殼要求耐壓4KV),故而外殼必須采用絕緣材料加工,通常有塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等形式來實(shí)現(xiàn)。然而采用導(dǎo)熱塑料或者塑包鋁的形式又使得LED球泡燈的成本增加,采用塑料加工成的外殼又無法有效的散熱。
在這樣一個(gè)LED競爭激烈的大環(huán)境下,很大一部分商家為了追求利潤及銷售額,無視安全因素制造大量非隔離金屬外殼的球泡燈,又或無視產(chǎn)品品質(zhì)制造大量塑殼球泡燈,同時(shí)燈具的功率往往虛標(biāo)30%以上。
目前球泡燈上應(yīng)用最多的幾種非隔離驅(qū)動(dòng)如下:
1.電阻限流式
如圖1:電阻限流式驅(qū)動(dòng),僅采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,通過限流電阻來限定LED的平均電流。
圖1
如圖2所示(綠線表示橋堆輸出端電壓,紅線表示LED電流,藍(lán)線表示電阻R上的電壓),LED電流有間斷(頻率為100Hz),LED電流存在的時(shí)候也有大小變化,故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的頻閃現(xiàn)象。
圖2
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圖3
電阻限流式非隔離驅(qū)動(dòng),在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU2/R,因此功率極其不穩(wěn)定,造成照明亮度變化明顯,而且功率隨著電壓波動(dòng)的平方變化,使得燈具非常容易長時(shí)間在超過標(biāo)準(zhǔn)溫度下工作,壽命減短。
該驅(qū)動(dòng)方案由于負(fù)載主要呈現(xiàn)為阻態(tài),電壓過零的時(shí)候不存在電流,故而功率因數(shù)較高接近1,不過由于限流電阻的存在其效率很差通常只有30%~65%的效率, 但是由于該方案成本非常低廉,導(dǎo)致很多生產(chǎn)商生產(chǎn)該類產(chǎn)品,LED球泡燈的品質(zhì)很難得到保證,其安全性也難以得到保證。
2.恒流二極管限流
如圖4:恒流二極管驅(qū)動(dòng),采用一個(gè)橋堆,將50Hz的正弦波交流電變化為100Hz的半正弦波脈動(dòng)直流電,通過恒流二極管來限定LED的電流。
圖4
同樣,由于恒流二極管限定了通過的電流,其兩端必定會承載超出LED工作電壓的那部分電壓,因此效率較低,通常在70%左右,但是其電流基本跟隨電壓波形,功率因數(shù)較高,可較容易做到0.9以上。
加 上橋堆后的電解電容,LED電流連續(xù)且恒定,因此在電容量足夠大的前提下該驅(qū)動(dòng)方案就表現(xiàn)為無頻閃,而且,由于電解電容將橋堆后的電壓波動(dòng)降低了,因此 LED模組的電壓的設(shè)定可以充分的接近橋堆后輸出電壓,使得恒流二極管不用承載過多的電壓,提高驅(qū)動(dòng)效率,通??商嵘?5%左右,但是其電流恒定,在輸 入電壓過零的時(shí)候?qū)е麓罅康臒o功功率產(chǎn)生,功率因數(shù)較低,一般只有0.5~0.6。
恒流二極管實(shí)現(xiàn)的非隔離驅(qū)動(dòng),在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),球泡燈的功率變化為ΔP=ΔU*I,因此功率浮動(dòng)與電壓波動(dòng)成正比,但是燈具照明效果相對穩(wěn)定,但是由于恒流二極管的價(jià)格始終較高,而且其電流驅(qū)動(dòng)能力只有幾十毫安,故而無法得到推廣應(yīng)用。
3.阻容降壓
圖5
因此該方案由于電容主要消耗無功功率,效率較高,但是其功率因數(shù)往往非常低,通常在0.4左右。而且C2的容值大小直接決定了頻閃的顯著與否。
因?yàn)長ED工作需要比較穩(wěn)定的直流環(huán)境,因此該方案常常采用橋式全波整流,但是全波整流產(chǎn)生浮置的地,并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓,造成人體觸電傷害,是為比較危險(xiǎn)的一種驅(qū)動(dòng)。
電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí),LED電流也會同比的跟隨變化,因此,其穩(wěn)定性也較差,而且由于電容壽命直接影響容值,使得容值變小,輸出電流也會隨之降低,使得LED球泡燈的光衰倍化加劇。
但是,由于其成本低廉,線路非常簡單,而且對LED模塊的工作電壓的范圍幾乎沒有要求,通用性非常高,使得目前大部分廠家采用阻容降壓的方式作為中低功率的球泡燈驅(qū)動(dòng)。
4.線性驅(qū)動(dòng)
圖6
圖7
由于其驅(qū)動(dòng)特性是將LED模塊按照阻性負(fù)載的特性的模式驅(qū)動(dòng),因此電流跟隨電壓波形,功率因數(shù)可達(dá)0.97以上,但LED電流有間斷(頻率為100Hz),故而表現(xiàn)為頻率為100Hz的現(xiàn)象,同時(shí),在周期內(nèi),LED亮度是分為6個(gè)亮度等級漸變的,可適當(dāng)緩解頻閃的效果。
同樣的,在橋堆后面加上電解電容,能通過降低功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)無頻閃,在Cin足夠大,將電壓的波谷值拉升至所有LED工作電壓之上,頻閃現(xiàn)象就將完全消失,但是功率因數(shù)也會將至0.5左右。
在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí),線性驅(qū)動(dòng)芯片會根據(jù)電壓的變化對電流稍作調(diào)整,使得整燈的功率維持不變,燈具的壽命充分得到保證,而且燈具亮度變化也不會超過10%,肉眼幾乎無法辨別。由于其成本相對阻容方案要高,而且設(shè)計(jì)電路要求較高,通用性小,故而在市面上的球泡燈應(yīng)用中較為少見。
5.恒流芯片buck(NPFC)
圖8
當(dāng)橋堆后的電解電容足夠大時(shí),只需保證輸出端LED模塊的工作電壓小于電解電容輸出端波谷的電壓值時(shí),可以完全消除100Hz的頻閃;而芯片內(nèi)部的高頻開關(guān)由于其頻率較高,外加LED模塊并聯(lián)的濾波電容及電感,使得頻閃效應(yīng)得到解決。當(dāng)然,如果橋堆后面的電容較小時(shí),LED的工作電壓大于電容后端輸出電壓,則100Hz頻閃依舊存在,其振幅與LED模塊的工作電壓和電容后端輸出電壓的波谷的差值有關(guān),差值越大,振幅越大,頻閃效果越明顯。
由于大電容及后端開頻的存在,該電路功率因數(shù)往往只有0.5左右,但是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單,效率高達(dá)90%以上,恒流精度更是在5%甚至3%以內(nèi),負(fù)載調(diào)整率也較高,因此大部分追求品質(zhì)的LED球泡燈生產(chǎn)商選用改方案。
也有不少商家為了節(jié)約恒流芯片的成本,在恒流芯片處通過采用被動(dòng)元器件(二極管,三極管,MOS)來控制恒流,通常這樣的方案在恒流精度以及開路保護(hù),短路保護(hù)方面做得就不夠好。
6.恒流芯片buck(填谷)
圖9
7.恒流芯片buck(APFC)
圖10
由于其輸入電流呈現(xiàn)半正弦波,導(dǎo)致其輸出電流也有100Hz的波動(dòng),當(dāng)然其振幅由于輸出端濾波電容及電感的存在,會小很多,但是存在100Hz的頻閃是不爭的實(shí)事;當(dāng)然適當(dāng)?shù)募哟鬄V波電容會使得輸出電流紋波變小,改善頻閃效果。
二、隔離驅(qū)動(dòng)
隔離驅(qū)動(dòng)(isolated power)是指在輸入端和負(fù)載端之間通過隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離,使輸出端無法直接接觸高壓。因此觸摸負(fù)載就沒有觸電的危險(xiǎn),隔離驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是安全。
當(dāng)隔離驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于球泡燈時(shí),其外殼可通過金屬、塑料、導(dǎo)熱塑料、塑包鋁等多種形式來實(shí)現(xiàn)。我們所要克服的就是隔離驅(qū)動(dòng)所帶來的體積大,效率較低,成本較高等缺點(diǎn)。
因此在整個(gè)LED球泡燈市場上,隔離電源使用的較少。
也有不少生產(chǎn)商對隔離驅(qū)動(dòng)理解的不夠透徹,以為使用了隔離變壓器將輸入與輸出分隔開就可以了,而忽略了爬電距離及電氣間隙等,這樣的方案完全不能算作隔離驅(qū)動(dòng)。
1.單級恒流(NPFC)
圖11
該驅(qū)動(dòng)方式的功率因數(shù)由于沒有進(jìn)行校正,大約為0.5,當(dāng)然也可以在橋堆后面設(shè)計(jì)3D2C的填谷電路,將功率因數(shù)提升至0.8~0.9。
2.單級恒流(APFC)
圖12
3.二級恒流(PFC)
圖13
該方式驅(qū)動(dòng),功率因數(shù)一般都在0.95以上,而且無100Hz的頻閃。但是由于其線路復(fù)雜,成本較高,效率通常也只有80%~85%。
幾乎沒有球泡燈驅(qū)動(dòng)應(yīng)用到這種驅(qū)動(dòng)方式。
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