基于Multisim无频闪直流LED灯的电路设计

朱佳宁，郭鑫方，吕 岩，李世豪，冯智凡，常春蕊

(华北理工大学理学院，河北 唐山 063210)

引言

光频闪，即光源发出的光随时间呈现快速、重复性的强弱变化[1]。研究表明, 使用无频闪的直流荧光灯, 眼的调节近点、集合近点、闪光融合频率、明视持久度等指标的变化程度, 明显小于有频闪的荧光灯, 差异有显著性(P<0.05,P<0.01)， 提示在同样条件下, 无频闪的荧光灯可以减轻视觉疲劳程度[2]。若将通过光源的交流电转化为稳定的直流电，电流将无任何波动，从而保证光线的连续稳定和实现无频闪。

因此，本文基于“交流到直流，直流到稳定直流”的双级方案，首先利用仿真模拟软件Multisim10.0进行仿真模拟[3]，以确定各元件的匹配参数，然后基于节能环保的优势选用LED作为光源，运用所设计的电路搭建无频闪直流LED灯[4]。

1 理论原理分析与设计

图1为将家用220 V，50 Hz交流电转变为某一稳定电压、稳定电流的直流电的原理示意图。该设计的核心主要由整流电路、滤波电路和稳压集成电路三部分组成。其中，整流电路部分是由四个二极管组成的桥式电路；基于二极管的单向导电性，实现了使交流电压变换成单向脉动电压，达到交流变直流的目的。滤波电路的主要元件是电容；基于电容的充放电特性，当电压升高时，电容充电，当电压降低时，电容放电，对于经二极管整流、含有较大脉动成分的电压，电容如此反复充放电，从而使负载上的电压波动大大减小。而集成稳压电路则通过调整管、基准电压电路、采样电路和比较放大电路等四个组成部分来进一步确保输出电压的稳定。经整流、滤波和稳压后，家用交流电已转变为稳定的直流电，并为负载光源供电。

图1 直流LED灯的原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the DC LED lamp

2 仿真模拟方案

2.1 性能指标要求

基于上述性能指标要求，经过Multisum仿真模拟，给出电路中灯泡正常发光情况下各元器件型号参数的匹配组合，如表1所示。其中，C2主要用于滤除输出电压中的高频噪声，并可改善负载变化时的瞬态响应，从而确保电路工作稳定；其容量一般较小，改变其值对电路影响不大，我们选用100 μF的电容C2。

表1 各元器件型号参数的匹配组合

经过对表1的数据整理与分析，我们选用输出电压较为平稳的“3N246型号桥式电路、1 mF电容C1、LM7815CT型号三端稳压器和100 μF电容C2”组合给予进一步仿真讨论。

2.2 仿真结果

我们利用Multisim10.0仿真模拟软件进行模拟仿真，如图2所示。其中，V1表示220 V交流电源，T1表示变压器(主要用于获得整流电路需要的交流电压)，D1表示桥式电路，C1和C2分别表示电容，U1表示三端稳压器，J1表示开关，R1表示电阻，LED1表示负载光源，XSC1和XSC2分别表示示波器。图中标记为XSC1和XSC2的示波器分别测试稳压滤波前后的电压信号，而示波器XSC1的A、B两个通道将给出二极管整流前后的电压波形。

图2 直流LED灯的Multisim10.0仿真模拟图Fig.2 Multisim10.0 simulation diagram of the DC LED lamp

图3 经整流、滤波及稳压的电压信号变化情况Fig.3 Voltage signal changes through rectification, filtering and voltage regulation

图3为仿真后各示波器所示波形。图3(a)～(b)表明经二极管桥式电路整流，电压信号已由A通道所示的类方波形交流电压信号转变为由B通道所示的具有一定波动的直流电信号。而图3(c)表明经稳压滤波之后由三端稳压器输出的电压被稳压在15 V左右。其中，图3(c)中0～9 ms波段对应于电路中电容的存储吸收电能或释放补偿电能的缓冲作用，有益于输出电压的平衡稳定。

进一步地，通过模拟仿真分析稳压电路的稳压性能指标。一方面通过稳压系数Sr反映在负载不变的条件下当电网电压波动时输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比[9]，另一方面考查在输入电压不变的条件下稳压电路受负载变化的影响[10]。表2和表3分别为电网电压波动时和负载电阻变动时所对应的各输出电压值。由表2中电网电压波动在±10%时的情况，即在输入电压分别为198 V和242 V时对应的输出电压分别为14.733 V和14.751 V，根据式(1)得稳压系数为

(1)

该值小于0.05，满足设计要求，且由表2中各数据可知输入在±10%之间变动时对应的各输出电压波动均小于0.1 V，稳压效果良好；而由表3数据也可以看出，当负载电阻变动时对应的各输出电压波动均亦小于0.1 V，稳压效果也较好，满足设计要求。

表2 R1=4 Ω，电网电压波动时输出电压值

可见，通过二极管整流、电容滤波及三端集成稳压，仿真模拟得到了与理论设计结果基本一致的稳定的直流电压。其中，二极管的单向导电性实现了将随时间变化的工频交流转化为单方向的脉动直流，电容的隔直通交特性实现了使输出电压接近于理想的直流电压，三端集成稳压进一步地使直流输出电压更加稳定，且不受外界交流电源电压波动及负载变动的影响。

表3 Ui=220 V，负载变动时输出电压值

3 实际实验与结果测评

将各元器件用导线按仿真电路图连接。其中，在变压器后加可调电阻,以使三端稳压器的输入电压可调；在负载处加可调电阻，以使负载输出电压可调，从而保证LED光源两端的分压达额定值而正常发光。负载处串接的电阻起到了镇流的作用，有利于LED照明驱动电路的稳压稳流[11，12]。图4为LED光源点亮图及其两端的电压信号波形图。

图4 LED光源点亮及其两端的电压信号波形图Fig.4 LED lighting and the voltage signal waveforms at both ends

可见，依“交流到直流，直流到稳定直流”的双级方案，我们已基本获得适于LED光源工作的稳定直流。然而，以Multisim仿真模拟，根据负载输出电压与输出电流等性能指标要求确定的降压变压器、整流二极管、滤波电容以及三端集成稳压器等元器件的规格参数是存在一定局限性的。如图4所示实验中负载光源两端电压信号波形的实际测评结果与经模拟得到的图3(c)所示理想直流电压之间还存在一定差距。因此，应用该软件进行电路仿真模拟时，其结果只是在选择各元器件、搭建实际电路时作为主要参考，而不能完全取代电路的最终设计。

4 结束语

本文主要探究了LED直流灯供电稳定直流的设计原理和思路，从而设计消除频闪的照明电路。我们利用Multisim10.0软件辅助设计和仿真评估，快速准确模拟电路中各元器件的参数指标，以得到可靠性评估结果。根据评估结果进行实际实验和测评检验，在检验过程中进行适当改进，从而使消除频闪的效果更加明显。

致谢：感谢华北理工大学理学院大学物理实验室提供的实验平台；感谢实验室主任张占新老师及实验室所有老师给予的帮助和支持。