普通吸顶灯通常采用电子镇流器,或者称为高频变压器。但是市面上的电子镇流器的质量都比较差。例如,作者就测试了一款普通吸顶灯安装了飞利浦的32W环形灯管。实测的结果如下:Pin=16W,PF=0.62。所以它只用到环形灯管50%的功率,而且功率因数也很差。作者也测试了一个9W节能灯的参数,测得Pin=8.4W,PF=0.563
二者的功率因数都不能满足>0.7的要求,但仍然在市面上大量流通。
对于LED吸顶灯的电源可以分为非隔离式和隔离式两大类:
5.1 非隔离恒流源,由于LED吸顶灯不像球泡灯那样容易被用户用手触摸到,而且由于不需要接触式导热,它的内部结构很容易把铝基板或印制板和金属底板绝缘起来,所以采用非隔离电源是可以很容易通过CE、UL等安全认证。再加上它的安装通常是由专业的电工来安装,也减小了用户触电的危险。
我们知道LED必须采用恒流源来驱动,否则由于它的负温度系数,而会使电流急剧上升导致结温升高,寿命缩短。恒流源分为线性和开关式两种。线性恒流源的优点是不会产生电磁干扰(EMI),简单,成本低。它的缺点是效率比较低。
1. 采用恒流二极管的非隔离恒流源
恒流二极管是一种线性恒流源,它的恒流作用可以用来驱动LED。最简单的方法就是把恒流二极管直接和LED串联。但是我们在用于LED驱动时必须注意选择恰当的电流和耐压。
最低电压
由于恒流二极管需要一定的电压Vk才能够进入恒流,所以太低的电源电压是无法工作的。通常这个Vk大约在5-10V左右。
最高电压
由于恒流二极管必须能吸收掉电源电压的变化,对于同样的百分比,220V就要比110V的变化范围大一倍。例如对于+10%~-20%的变化范围,对于220V就意味着22+44=66V的变化范围,经过桥式整流以后这个变化还会加大1.2倍,变成79.2V。而对于110V电源,同样的变化范围只相当于39.6V的变化范围。电压越低,就意味着功耗越小,效率越高。所以可以说恒流二极管更适用于110V市电的国家。
最大电流
由于恒流二极管的功耗受到限制,所以过大的电流也是不合适的。例如1W的LED通常需要350mA,恒流二极管就很难提供。即使能够提供,它的功耗也过大而使整体效率大为降低。
恒流二极管最适用的使用场合就是交流市电供电的LED灯具,采用很多小功率LED串联,也就是高压小电流的情况是最为合适。
下图就是一种用于吸顶灯的恒流二极管驱动源。其负载是80颗3022串联,总功率为16W。所用的恒流二极管也是恒流在60mA。假如手头的恒流二极管只有30mA的,就需要2串并联。
采用恒流二极管作为LED驱动电源
在这里,恒流二极管的作用就是要在输入市电电压变化时,保持输出电流不变,当然也可以消除由于LED负温度系数所引起的电流增大。但是由于恒流二极管的耐压有一定的限制,所以它所能吸收的电源电压变化也是有限的。就拿100V耐压的CRD来说,它的工作电压范围还要减去它的最小工作电压10V,可用的电压范围也就只有90V。用在220V市电电源里, 如果市电变化+10%,~-20%,就相当于整流后为290~211V,电压变化79V,在其耐压范围内。假如所用的LED为80颗,如果正向电压为3.3V,那么总电压为264V,正好相当于220V经过桥式整流以后的值。这时候恒流二极管上没有压降,但是这时候它是不能工作的而至少需要10V压降,也就是要求整流后电压为274V,市电电压为228VAC。那时候恒流二极管压降为最小,功耗也最小,只有0.03Ax10V=0.3W,整体效率为最高可达96%(当然还要考虑整流器的效率,实际上还会低一些)。如果市电增高至242VAC,那么恒流二极管电压就增高为26.4V,其功耗也增加到0.79W,这时候效率就等于91%。
如果市电电压低于228V,是不是恒流二极管就不工作呢?并不是,但的确是不恒流了,这时候它和LED就会达到一个新的平衡点,那就是二者的电压和等于市电电压经过整流后的电压。因为LED伏安特性的非线性,所以很难用公式来表示。总之,当市电电压降低时,LED中的电流就会随市电电压的降低而降低。其亮度也会跟着变暗。但是这时候恒流二极管的压降不大所以并不消耗很多功率。所以效率还是很高的。
前面假定了LED的正向压降为3.3V,实际上即使其额定为3.3V,在开机一段时间以后,由于结温的升高,正向压降就会降低至3.1V甚至3.0V。
一个采用恒流二极管的8W电源的实测结果如下表所示:
由表中可见,采用恒流二极管以后其最高效率的确可以做到非常高。是一种值得选用的电源。为了在220V得到最高的效率,看来应该串联90个以上的LED。
各种恒流二极管的参数如下表所示:
2.采用高压直接降压的开关式恒流源
由交流直接整流得到的电压是264V,这时候可以采用直接降压的高压Buck电路来恒流。
a)PAM99700
采用美国PAM公司的PAM99700的高压Buck的电路图。
这个电路的特点是效率高达90%,功率因数也大于0.9以上。外部电路也很简单。可以驱动多达40个1W的LED。一个采用PAM99700的LED吸顶灯照片如图7所示。
它是采用24串7并的3014型LED,总功率16.8W。右下角的蓝色印制板是红外遥控接收器。
采用PAM99700作为恒流驱动源的LED吸顶灯
它的实测结果如下:
效率、功率因素和LED电流和输入电压的关系
b)HV9861A
Supertex公司高压降压芯片HV9861A采用了均值取样从而提高了恒流精度至+/-3%。它的电路图如图所示。
HV9861A直接降压式电路图
这个电路可以驱动21个1W的LED。其主要指标如下:
其输出LED电流以及效率随输入电压的变化如图所示。
输出电流和效率随输入电压的变化
因为电路中没有采用无源功率因数校正,所以功率因数比较低。这个电路也没有采用为减小EMI所需的滤波器,如果加上这两项以后都会降低其效率。
所有这些非隔离式电源因为在LED负载上会触摸到市电,所以有严格的安规检验,尽管采用良好的绝缘可以满足安规的要求,但是欧盟IEC 61347-2-13 (5/2006)标准规定在LED负载端电压不可超过25VAC或35VDC。所以采用非隔离电源是无法出口欧盟的。
隔离式电源
TI公司隔离式恒流源芯片TPS92070,它的电路图如图所示。
TPS92070实际应用电路图
输入:90-264VAC
输出:25V,350mA
效率:>85%
1. 可调光隔离式恒流源
iW3614
其电路图如图所示。
iW3614应用电路图
输入:100-120VAC或220-240VAC
输出:25V,400mA
效率:>82%
PF:>0.9 非调光模式,调光模式时取决于可控硅。
THD:满足 IEC61000-3-2
调光兼容RC、R、RL
凌特公司LED恒流驱动ICLT3799,可以驱动4-100W的LED,而且本身带PFC,外置功率MOSFET开关管,反激隔离式而不需要光耦合器,外置元件减到最少,而且还可以用于可控硅调光。
可用于高功率LED 吸顶灯的反激式隔离型恒流电源
这个电路图是一个给24瓦吸顶灯用的演示板的电路图。其主要技术指标如下:
它的演示版的布置图如图所示。具体应用时当然也可以设计成圆形。
LT3799的演示版
这个市电恒流源因为功率大,而且可以适应4-100W的宽功率范围(这是吸顶灯的功率范围),所以一定是采用外置MOS开关管,而且也因为功率大,所以要求采用功率因数校正(PFC)。对于不同的功率,除了要选择不同的MOS管外,还要求选择不同大小的变压器。变压器加大了整个恒流源的体积和重量,降低了效率。但是这是为隔离市电所必需的。
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