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如何使用升壓電源提高LED燈泡的發(fā)光效率

發(fā)布時(shí)間:2020-04-13 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】使用 LED 作為光源的燈泡來(lái)替代螺紋旋入式白熾燈泡有很多好處。一般而言,我們將小號(hào)(5-9)的LED 串聯(lián)起來(lái),使用一個(gè)電源將線電壓轉(zhuǎn)換為低電壓(通常為數(shù)十伏),這時(shí)的電流約為 350 到 700mA.在確定如何最好地讓用戶同線電壓隔離的過(guò)程中,我們需要深思熟慮、權(quán)衡利弊。
  
使用 LED 作為光源的燈泡來(lái)替代螺紋旋入式白熾燈泡有很多好處。一般而言,我們將小號(hào)(5-9)的LED 串聯(lián)起來(lái),使用一個(gè)電源將線電壓轉(zhuǎn)換為低電壓(通常為數(shù)十伏),這時(shí)的電流約為 350 到 700mA.在確定如何最好地讓用戶同線電壓隔離的過(guò)程中,我們需要深思熟慮、權(quán)衡利弊。我們可以在電源中實(shí)現(xiàn)隔離,也可以在 LED 安裝過(guò)程中進(jìn)行這種隔離。在一些低功耗設(shè)計(jì)中,LED 物理隔離是一種常用方法,因?yàn)樗试S使用成本更低的非隔離式電源。圖 1 顯示了一種典型的 LED 燈替代方法。本舉例中的電源為非隔離式電源,其意味著實(shí)現(xiàn)用戶高壓保護(hù)的隔離被嵌入到了封裝而非電源中。很明顯,電源的空間極其小,從而對(duì)封裝構(gòu)成了挑戰(zhàn)。另外,電源被隱埋到封裝內(nèi)部,從而阻礙了散熱,影響了效率。

如何使用升壓電源提高LED燈泡的發(fā)光效率
圖 1 燈泡替換使電源空間變得極小

圖 2 顯示了一個(gè)通過(guò) 120 伏 AC 電源為 LED 供電的非隔離式電路。它包含一個(gè)為降壓功率級(jí)供電的整流橋。該降壓調(diào)節(jié)器是一個(gè)“倒置版”,其電源開(kāi)關(guān) Q2 處在回路中,而環(huán)流二極管 D3 連接至電源。在電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間,通過(guò)一個(gè)源電阻對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。盡管這樣做的效率相當(dāng)高(80%-90%),但是這種電路存在幾個(gè)限制效率的缺點(diǎn)。導(dǎo)通時(shí),電源開(kāi)關(guān)必須承載全部輸出電流,而在電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí),輸出電流流過(guò)環(huán)流二極管。另外,電流檢測(cè)電阻器 R8 和 R10 的電壓約為 1 伏。相比 15 到 30 伏的 LED 電壓,所有這三個(gè)壓降都很大,并且會(huì)對(duì)電源效率構(gòu)成限制。更為重要的是,這些損耗會(huì)促進(jìn)燈泡溫升。LED 的發(fā)光能力會(huì)慢慢減小,而這種能力與LED的工作溫度密切相關(guān)。例如,70oC 條件下,LED 光輸出減少30%的時(shí)間超出了 50000 小時(shí),而在 80oC 條件下,這一時(shí)間僅為 30000 小時(shí)。由于燈泡都安裝在一些“筒”中,而這些“筒”往往會(huì)阻礙散熱,不利于對(duì)流冷卻,因此發(fā)熱問(wèn)題被進(jìn)一步復(fù)雜化。

如何使用升壓電源提高LED燈泡的發(fā)光效率
圖 2 降壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的離線LED驅(qū)動(dòng)器

LED 制造廠商通過(guò)將數(shù)支 LED 串聯(lián)在一塊公用基板上,制造出更高電壓的發(fā)光體。這些高壓發(fā)光體帶來(lái)亦或是更低的成本亦或是更高的電源效率。使用這些高壓產(chǎn)品,我們只需使用一組整流器和一個(gè)穩(wěn)流電阻器,從而實(shí)現(xiàn)更低成本的電源方法。盡管這種電源可以產(chǎn)生相當(dāng)好的功率因數(shù),但效率很低,原因是輸入電壓的很大一部分都被用在了穩(wěn)流電阻器上,導(dǎo)致 30%-50% 的 LED 功率損耗。但是,它可以用于一些小體積的低功耗應(yīng)用中。然而,在一些高功耗應(yīng)用中,低效率讓其無(wú)用武之地。圖3顯示了另一種替代方法:其使用一個(gè)升壓電源。該電路的大部分都與上述方法相同。但是,開(kāi)關(guān)、二極管和電流檢測(cè)損耗要小得多,帶來(lái)高達(dá) 90% 到 95% 的效率。另外,該電路還擁有 97% 的良好功率因數(shù)。

如何使用升壓電源提高LED燈泡的發(fā)光效率
圖 3 利用升壓電源提高 LED 驅(qū)動(dòng)器效率

圖 4 為圖 1-2 示意圖所描述電源的照片。即使這種電源產(chǎn)生的輸出功率大致相同,但也存在一些影響電源尺寸的明顯差異。升壓電源的電感器尺寸明顯更小,因?yàn)槠湫钅芤蟾汀O啾壬龎弘娫?,降壓電源有一個(gè)更大的電阻器。該電阻器為一個(gè)仿真負(fù)載電阻器(圖 2 所示 R20),用于決定調(diào)光器何時(shí)開(kāi)啟硅控整流器 (SCR)。需要這樣做的原因是,調(diào)光器在三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件旁邊有一個(gè)電磁干擾 (EMI) 抑制電容器,其在無(wú)負(fù)載情況下的電壓相對(duì)電源要高。這樣便擾亂了電源,導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定調(diào)光。使用升壓電源時(shí)卻不需要這樣做,因?yàn)?LED 通過(guò)升壓電感器連接至輸入,為其提供足夠負(fù)載,因此上述問(wèn)題便不是問(wèn)題。圖中未顯示電路板的背面,但正如示意圖所示,降壓電源有更多低電平電路。所以,升壓電源擁有更低的功耗,這一點(diǎn)在諸如 LED 燈泡更換等空間限制型應(yīng)用中極為重要。

如何使用升壓電源提高LED燈泡的發(fā)光效率
圖 4 升壓電源體積更小、效率更高

總之,高壓 LED 因其具有功耗低、溫升小的特點(diǎn),可幫助增加旋入式 LED 燈泡的使用壽命。它是通過(guò)使用升壓電源替代降壓電源,從而提高電源效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。升壓電源的損耗約為降壓調(diào)節(jié)器的一半。另外,升壓電源的組件更少,功率因數(shù)更好,體積更小,并且利用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)組件實(shí)現(xiàn)調(diào)光更容易。
 
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