LED照明异型整流电路分析

张红辉

（衡阳技师学院 衡阳 421001）

引言

照明行业因传统光源的能效较低，技术升级的空间不大，竞争激烈，产品本身的附加价值极低。目前，各国政府都在积极淘汰低效产品，大规模推广节能产品，LED照明便应运而生。在所有LED照明产品中，几乎都需要整流电路单元。中小功率灯具，其整流电路具有极大的可改进性，本文创新了一种异形整流电路，集整流与负载于一体，并对其进行原理分析，样品制作与实验总结。

1 照明白光二极管特点

与白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：

工作电压很低（有的仅一点几伏）；

工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；

抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；

调节发光亮度方便。

发光二极管的伏安特性如图1所示。

图1 发光二极管的伏安特性

2 白光二极管异型整流电路工作原理

2.1 常规LED驱动电源简介

LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动电源的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220 V的交流市电。

图2 LED异型整流电路原理图

正向压降（VF）和正向电流的（IF）关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值（约2 V），即通常所说的导通电压之后，可近似认为，IF与VF成正比。VF的微小变化会引起较大的，IF变化，从而引起亮度的较大变化，因而LED的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。除了恒流的要求之外，LED对驱动电路还有高可靠性，高效率，高功率因素，浪涌保护，过压过流过热保护，符合安规和电磁兼容，寿命长等要求，从而导致LED驱动电源成本居高不下，甚至影响产品推广。

2.2 LED异型整流电路原理

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，经后续处理，向负载提供电源，主要由整流二极管组成。电路构成方式主要有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流三种。LED照明电路与其它电路不同之外在于：LED器件本身具有整流二极管的单向导电性，同时又是电路的负载，完成电能－光能转换。充分利用它的这个性能，改进照明电路驱动，以实现电路原理简洁，成本低，可靠性高等优点。设计的LED异型整流电路原理如图2所示。

1）半波异型整流

图3 半波异型整流电压波形

原理如图2中图半波a所示。利用LED的单向导通特性来进行整流，除去半周交流电转换为直流电，点亮灯珠，工频时，电路工作频率仍是50 Hz，周期20 ms。因为灯体的余辉效应和人眼的视觉暂留共同作用，用户可以看到LED发光，而没有闪烁感。半波整流后输出的直流电为脉动直流电，因其电路简单，可靠性高，成本低廉等优势而得到广泛的使用，如开关，插座，热水器，小家电，机床设备等产品的通电指示。工作波形如图3所示。

在0-π时间内，输入电压为正半，此时LED承受正向电压面导通发光，在π-2π 时间内，输入电压为正半，这时LED承受反向电压，不导通，电流为零（忽略反向漏电流）。在2π-3π时间内，重复0-π 时间的过程；而在3π-4π时间内，又重复π-2π时间的过程…这样反复下去，交流电的负半周就被"削"掉了，只有正半周通过通过了LED，如图3所示，达到了整流的同时供电的目的。

限流器阻抗：

U是电源电压有效值，电流Imax的选择，应参考灯珠规格书，并留有一定的市电电压变化余量，以防止灯珠过热损坏。

半波异型整流电路中，当需要多个LED照明时，可以参考图2中半波b图，进行扩张，但最大LED灯珠个数n须满足以下条件：

Up是交流电的峰值

限流器总阻抗：

半波异型整流电路的局限性：LED截止时，正负极之间承受了全部交流电压的峰值，因而限流电阻的选择非常重要，以免反向截止时，因电流过大导致不可逆的硬击穿而损坏器件。

2）全波异型整流

全波异型整流电路中，在半个周期内，电流流过LED1，而在另一个半周内，电流流经LED2，两个LED使流经它们都获得正向电流。全波异型整流电路，利用了交流的两个半波，这就提高了电源效率，两只LED轮流工作，发光更均匀。

全波异型整流电路中，LED1和LED2反向截止时，其承受的反压仅为另一只LED的正向导通电压，因而不存在反向击穿风险。因其电路简单可靠，可广泛用于小夜灯，屏幕背景灯，墙角等亮度需求不高的产品中。其工作原理如图2全波a图所示，电流波形如图4所示。

U是电源电压有效值，电流Imax的选择，应参考灯珠规格书，并留有一定的市电电压变化余量，以防止灯珠过热损坏。

全波异型整流电路中，当需要多个LED照明时，可以参考图2中全波b图，进行扩张，但最大LED灯珠个数n须满足以下条件：

Up是交流电的峰值

限流器总阻抗：

3）桥式异型整流

桥式整流电路的工作原理如下：输入电压正半周时，对LED2，LED3加正向电压，LED2，LED3导通发光，而LED1，LED4因负压截止。负半周时，对LED1，LED4加正向电压，LED1，LED4导通发光，而LED2，LED3因负压截止。两组LED轮流交替导通，如此重复下去，结果使得电路发光功率更大，光强更加均匀。其波形图和全波整流波形图是一样的。与全波异型整流LED电路一样，不存在反向击穿的风险。

桥式异型整流电路中，当需要多个LED灯珠照明时，可以参考图2中桥式整流b图，进行扩张，但最大LED灯珠个数n须满足以下条件：

Up是交流电的峰值

限流器总阻抗：

3 LED桥式异型整流样品测试

3.1 常温常压测试

小批样机成品4个，经15日连续老化并用1.5 m积分球测试系统测试，工作正常，光通量4.3 lm无亮度衰减。

测试仪器：SPEC-2000A光谱分析系统。

3.2 全电压过压欠压测试

采用Rek5000数显交流变频电源，对样品进行全电压100 V-220 V并加减10 %进行老化48 h测试，全部性能指标正常。

图4 全波异型整流电流波形图

3.3 温湿度测试

1）依据GB 2423·1温度等级，对样品进行惭变低温测试：

低温温度：-30℃±3 ℃，16 h 在整个试验周期中，检测试验样品正常工作，恢复常温后通电，仍能正常工作。

2）依据GB 2423·2温度等级，对样品进行惭变高温测试：

试验温度：+55 ℃±2 ℃ 16 h，在整个试验周期中以恢复常温后试验样品正常工作。

3）依据GB 2423·3，对样品进行温度试验：

试验温度：+40 ℃±2 ℃，相对湿度：93 %±3 %，持续时间：16 h

在整个试验周期中以恢复正常湿度后，试验样品正常工作。

4 结论

与传统照明电路相比，异型整流电路可以利用发光二极管本身的单向导电性，节约改进前的整流电路和驱动电路成本和其自身功耗，经多项国标试验，达到实用要求，具有高度的推广意义。