冰箱用LED照明灯的设计分析

2018-05-16仪志恒,刘玲玲

家电科技 2018年5期

1 引言

LED是发光二极体（Light Emitting Diode）的英文缩写，通常也称发光二极管，是一种可以直接把电能转化为光的固态半导体元件。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流借助导线这种载体将电子传送到晶片的时候，电子向P区移动，在此处电子跟空穴复合，通过这种作用就能发出可见光，这就是LED发光二极管的发光原理。

LED灯的P-N结材料决定光的波长，从而呈现出不同的颜色。如图1所示。

2 LED照明灯在冰箱上的设计分析

LED以其寿命长、高效、节能、环保、体积小、亮度高等特点，已经广泛用于到各行各业中，比如用于LED显示、指示灯、照明等，冰箱行业也为了给用户提供更可靠、更节能的冰箱，LED也大量的用到冰箱产品上，比如替代冰箱照明的传统灯泡。从节能上看，冰箱上的传统的灯泡为白炽灯，功率为15W左右，而用LED灯组合，功率不到大于1W，就可以达到同样的照明效果，仅此一项的耗电量就大大减少；LED灯是一种无毒无害的材料，可以循环利用，不对外部环境造成污染；它体积也远小于普通灯泡，利于节省箱体内部空间，其不同的组合更是可以令感官设计新颖别致；而且LED灯的寿命可以长达数万小时，远远优于普通灯泡，减少用户的维修成本；其封装结构，远比普通灯泡坚固耐用，方便运输；而其冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多，即使是长时间使用，也不会影响食物的温度。

LED的驱动电路为LED灯提供稳定、可靠的电源，目前，将交流220V市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波、开关电源降压后再整流滤波或电容降压式后再整流滤波的驱动方式。变压器是一种阻抗器件，能够改变交流电压和电流大小，当交流电流通过初级线圈时，线圈中包裹的铁芯（一般为硅钢片）就会有交流磁通产生（电生磁），依据电磁感应定律，次级线圈中就会有电压（或电流）产生（磁生电），由于初级和次级线圈中匝数不同，从而使电压发生改变，然后通过整流和滤波电路给LED灯提供驱动，变压器降压具有变压稳定、功耗大、体积大、成本高等特点；开关电源是一种电子开关元件（比如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过电子开关元件频繁的“打开”和“关闭”，对输入电压进行脉冲宽度调制，来实现AC/DC以及DC/DC的电压转换，同时输出电压也能根据需要进行调节，还能保持较稳定的电压，开关电源具有高可靠性、低噪声、体积小、成本高等特点；阻容降压是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，然后通过整流和滤波电路给LED灯提供驱动，阻容降压具有变压稳定性较差，驱动负载功率小、功耗小、占用体积小、成本低特点。而冰箱照明系统功率小、成本要求高、设计体积受限，因此最简单实用的方法就是采用电容降压式电源。

为了达到同普通照明灯泡一样的照明效果，单一的LED灯亮度无法满足设计要求，需要通过几个LED单灯的组合才能替代传统的灯泡，进一步提高产品设计的通用性。

在冰箱中LED灯的设计时可以考虑两种方案，即LED灯串联和LED灯并联。

LED灯并联电路是在每个灯两端施加同样大小的较低电压，但要考虑如何保证每个LED灯的亮度基本一致，所以就要求增加镇流电阻或稳定的电流，从而使每个LED的亮度基本保持一致。若每个LED灯中流过的电流大小不同，那么每个LED灯的亮度就会存在误差，这样LED灯的实用性和美观性大大降低。而串联接法中每个LED灯都是通过同一条线路来工作的，电流就能保持一致，缺点是电源电压高，但降低了电路的电流。LED灯并联电路中，总电流是通过各个LED灯的电流之和，因此在设计电路时需要考虑大电流设计。另外，在串联电路的设计中，如果其中一支LED灯断路，所有的LED灯都不亮，但是如果其中一支LED灯短路时，其余的LED灯继续工作。在并联电路的设计中，如果其中一支LED断路时，其余的LED灯继续工作，但如果其中一支LED灯短路时，电源电路也将被短路，从而导致整个电路都不能正常工作，同时可能造成电路烧毁。通过以上分析，对于LED灯照明采用串联电路较有优势。另外也可以通过先串联再并联的方式形成LED阵列（即用少量LED灯串联后再串联上稳定电流的电阻，然后再将几组串联支路并联），这种方式就克服或减少了当其中一只LED灯断路或短路时，整个LED灯不亮或电路烧毁的问题。下面分别对采用串联或并联的LED灯照明电路进行设计试验。

首先选择的是并联电路（如图2），其中C1和R1组成阻容降压电路，D1-D4进行整流电路。这样设计的出发点是考虑其中某个LED灯损坏时，还能保证基本的照明使用。然后来试验设计的可靠性。

通过一段时间试验发现并联电路存在电流冲击的缺陷，电流冲击容易造成单个的LED灯的损坏,每个LED的亮度一致。而理论上LED灯单个损坏的可能性小，通过LED灯和普通灯泡的的寿命对比试验，也是显而易见的。而造成这个问题是由于每个LED灯在实际应用中存在电流偏值误差。如果需要改进，则需要在电路系统中增加限制电流的电阻或者提供稳定的电流来使每个LED灯都具有基本一致的电流通过，但通过这种改进增加了成本，不符合简单、安全、成本低的要求。

重新选择LED灯串联的方式（如图3），由于串联接法中每个LED灯都是通过同一条线路来工作的，电压电阻固定，那么通过LED灯电流就基本保持一致，缺点是电源电压高，但降低了产品的电流。为了满足电源电压的要求，提高产品工作的可靠性，将阻容降压电路中的电容C1更改为334J/630VAC。

通过测试分析发现电路板上的R2（120Ω 1W）电阻耐压不够，容易造成电阻R2击穿。为解决R2击穿问题，将R2（120Ω 1W）电阻改为两个电阻R2和R4（62Ω 1W）的串联方式，通过两个电阻的分压来解决这一问题（如图4）。电路设计的可靠性。（如图5）