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早些時候的LED燈多是草帽燈珠，買了不少來用（手機百度輸入法卡死在“用”了）。記得有一次是買了5只球泡燈，黃色塑料殼那種，查了下交易記錄是2008年的事了。賣家信誓言旦旦地說如何如何好，保用N年，反正我當時是信了。不曾想到手后，沒有一個亮過3天的，還只在晚上開燈。過了很久與賣家聯系（賣家一般就不在線了），還不錯，給發過來一批燈珠讓自己更換。這些燈珠還真的不錯，偏黃光的，現在還留有一些。由于燈上的燈珠沒有全壞的緣故，我提的數量要求就少了些，賣家也就沒有發來太多個，自己就又整袋地買回來燈珠備用。這些燈珠就成了我之后進行各種有關LED試驗和DIY的原材料，而這些過程就成了這篇貼子的基礎之一。   即便把電容換小一檔，也仍然經常出故障，大約延長到30天左右吧；經常發現燈珠亮度暗了下來，原來飽滿的熒光粉變成了一個坑。且經常是在燈亮期間突然滅掉或忽閃起來，而不只是在開燈的瞬間。 若說是浪涌的話，應該是在通電的瞬間，電容沖擊電流較大將LED燒壞；再說其他的電器怎么都不怕這浪涌？用示波器觀察市電波形，看不出有明顯的浪涌，當然總歸是沒有盯著看。于是再增加濾波電容，就是那個400V的電解電容，并聯上一個，同時能改善高頻響應。印象中最大用到2個4.7uF，試用結果是有所改善，但繼續出故障。
一時間，本人想起當年畢業設計的一段情節。一個班的人分成幾個不同的項目組，本人的項目是硅杯式壓力傳感器。本人平時給人留下了某種印象，有幾個其他組的MM同學經常找我幫忙，這下可忙壞了。記得一個項目是某元件直流V-I方面的，要求在高壓回路中對電路通斷和方向做出指示，電流最大約30mA。這有何難！于是用紅、綠各1只LED反向并聯后串接到回路中，一試工作正常，于是皆大歡喜，人家是深表感謝。剛開始做自己的事，MM就來說不行了，LEDi不亮了！于是趕緊去元件庫領，要高亮的，額定電流標的是40mA。換上后，不久又壞了，懷疑是LED質量不好，就又去領。庫管說這是好質量的，心疼啊，就不好意思再領了。百思不得其解，時間耗不起，后來就被MM放棄了。 扯遠了。話說草帽燈珠，額定電流一般是20mA；正向壓降比紅、綠都高，3.2V了，同樣電流下的功率消耗自然就大了，但其結構大致沒變，散熱確實就是個問題。大家都懂，就不扯散熱了。這么一對比，有點明白了：我手中的草帽燈實際應用電流應遠離20mA，就是說要降額使用。 LED降額使用的實例還是很多的。比如“西普萊X”的LED吸頂頂就主動降額了，同樣是用24粒的5730燈珠，別家會說是12W，而這家只說是11W，實測功率甚至還不到11W。本人在網上曾經接觸過的一個有關3528貼片燈珠的問題，回答比較長，只看其中最后一段即可：http://zhidao.baidu.com/question/581966843.html?oldq=1。5050燈珠內有3芯，總額定電流是50mA，平均每個約17mA。本人自用的LED燈，一般都要調低電流后再安裝使用。指標高了價格就好，商家都知道；留有余量可以提高可靠性，大家都知道。 降額使用是一種無奈，也是一個前提。在危險的邊緣，再好的電路都難以使燈珠穩定、可靠發揮作用。不過這并不是本帖的主題，暫且說到這里。 先來個實例，就從壇友“亞歷山大”提到的環形燈串說起吧。我做了一個類似的，安裝到了一個吸頂燈內，正在用。這個吸頂燈接了4線3個控制，所以可以有多種亮度及其組合。剛去拍了照片，照相機是自動調整曝光的，所以需要從背景的亮度變化感覺各種狀態下燈珠的亮度。照片沒做任何修飾，為節約空間，將4張圖組合到了一起：  剛拿到這個吸頂燈時有點郁悶，因為它的燈板直徑偏小了，因此就有了給它加個外環的沖動。圓環的骨架是用雙芯鋁電線，每公分1粒燈珠，恰好60粒。考慮到燈珠的色溫偏冷，于是每5粒采用一粒偏黃的燈珠。做好后感覺偏黃燈珠少了，間隔3粒就更好了。60是個很好的數字，3、4、5、6都能等分的。 設計圓環在弱光時，給一般走動照明；在微光時，就相當于一個小夜燈的作用。驅動沒有采取復雜的電路，就是簡單的阻容降壓，是利用廢的Philips 9W節能燈的驅動板改造的，全部是這板上面的元件。當時用電力計量插座測量過，弱光和微光兩檔耗電分別僅1.15W和0.2W，1米處照度分別是145Lux和29Lux。在這樣功率下的阻容驅動，沒有感覺對燈珠產生不良影響。莫非，電容小一點浪涌就通不過了？估計失效原因是多方面的，本帖暫不做這方面的深入探討。 下面以阻容驅動60粒燈珠為例，進行電路仿真實驗，先上個簡單的電路圖。圖中接入了示波器、功率計和多功能測量探針。不熟悉仿真的壇友可能開始會不太適應。仿真結果與實際電路比較接近，各位不必過多懷疑其準確性。圖中元件標號亂標的，但將在本帖各圖中將保持一致，與結果無影響。  （電路圖1） 示波器的A通道（紅色軌跡）顯示的是4.7uF電容C3上的直流電壓波形，B通道（青色軌跡）顯示的是通過LED的直流電流波形。實驗表明，即便接有4.7uF的濾波電容，通過LED中的電流波動仍然非常的大，幅度達18mA，通過的保底電流僅約4mA，LED的發光應該是有明顯的頻閃的。剛才用相機對前面說的吸頂燈拍照時，在取景器中明顯感到了燈光的頻閃。 需要特別提到的是，很多人在測量了濾波電容兩端有較為穩定的直流電壓后，會誤以為LED的發光因此就比較穩定了。 采用不同容量的降壓電容C5，就會有不同的電流、功率等，比較準確的數據詳見下表。前面那個表中的數據與本表有較大的出入，當以本表為準。  恒流的概念有不同的含義，也分個廣義和狹義吧。廣義來說就是包括直流、交流、脈動等多種電流模式，電壓或負載在一定范圍波動的情況下，能維持電流在下一個周期與前一個周期的大小是一致的，且在工作時間內是連續重復的；狹義來說就是直流電壓或負載在一定范圍波動的情況下，能維持大小相對穩定的直流電流。 由于LED是直流工作的，所以本帖所說的恒流概念如非特指均默認指狹義的含義，而電流穩定程度似乎也沒個確定的標準。雖然上面仿真電路中LED的平均電流保持在一個很穩定的值且波動也是按周期重復的，但本人在這里認為它不是恒流的。有人說阻容降壓本來就有恒流的特點，但本人認為其電流與電壓波動仍呈線性關系，所以不認可這種恒流。 然而有很多開關式LED恒流驅動電源的輸出是占空比固定的、或是PWM方式調光的方波，這算什么呢？通過LED的平均電流大小已經是額定值了，那么在導通期間的電流肯定高于額定值了。本人這么解釋：燈珠具有一定的熱容量，同時開關頻率必須足夠高，燈珠的熱容足以平滑瞬間過功率產生的熱量，這種情況與狹義的恒流是不矛盾的。燈珠熱容量越高、熱阻越低及散熱越好，可以承受的瞬態功率就越大，換句話說就是可以無視瞬態、只看平均。這時就體現出了高頻電路的優越性。而工頻的周期較長，所以在高頻每個周期都可以高功率的燈珠，在工頻下就得小心了。 下圖是在前一電路的基礎上加個限流電阻R2、構成二級濾波的情況。如果取掉第一個電解電容C3，由于R2與R17的作用相似而于濾波作用不大，就與前一電路的結果幾乎一樣了(當然，電阻對尖峰電流的抑制作用不可忽視)；如果取掉電解電容C1，則LED電流波動會有所變大。由于增強了濾波，同時降低了功率，使得LED耐用了。 加入電阻R2后，頻閃問題明顯改善。假如只能選用1個濾波電容，那么保留C3對平滑電壓更有效，電阻使電容C3放電變慢，有利于發光的穩定；而保留C1時，由于電阻的限流，會減小對降壓電容C5的電流沖擊。至于功率變小，則可以通過加大降壓電容來適當升補。  （電路圖2） 根據仿真的結果，計算前兩圖中驅動電路的效率：電路圖1是94%，電路圖2是91%。效率與效果難以兼得，需要酌情平衡取舍。 要更好地抑制LED中電流的波動，若采用電阻與電容組成的簡單濾波電路，就還得繼續增大電阻值、增大電容量。從成本、體積、效率等多方面考量，這是我們難以接受的。下面我們就采用三極管電路代替其中的電阻，以自動可變電阻的辦法將電流的波動盡量抹平，實現穩流，看能達到怎么樣的效果。 這是一種三極管恒流電路。先做下說明。圖中的元件均為系統庫中現有的型號；沒有由于13001，三極管Q1、Q2就用13003代替，與結果無影響，已設置正向放大倍數βf=10；為了保證電路能按設計思路工作，先用兩只13001接成達林頓形式以提高放大倍數。要想恒流就得采樣和反饋，圖中R2為電流設定及采樣電阻，改變R2就能改變最大電流；三極管Q3為采樣放大和反饋，隨便選了個常用的，放大倍數是默認值βf=311。  （電路圖3） 圖上示波器青色軌跡為電流波形，仍為齒狀，是不是有點失望？其實，這是接近極限的狀態：電流不能再大了。波形雖然仍為齒狀，但明顯上寬下窄，已顯示出電路對電流的限制和穩定作用。當R2取60歐姆時，電流軌跡就平穩了，就象是發生了質變。這才是本電路要達到的效果：  （電路圖4） 這次把示波器A通道改為觀察調整管Q2的電壓，是綠色軌跡。可以看到，調整管吸收了電源上的大部分電壓波動，努力使LED兩端電壓保持穩定，從而使電流穩定。不過，恒流的同時帶來個問題，就是電流調整管是工作在線性放大狀態，要消耗功率發熱，調整管能吃得消嗎？在本帖的例子中，通過調整管的電流約10mA，CE兩端電壓平均約15V，消耗功率約150mW，這對于13001來說應該沒什么問題。 實際上電流是可以調大的，不過要同時增大降壓電容和濾波電容的容量，使電能供得上才能使電流維持平穩。電流調大的同時，三極管工作點將向飽和區移動，消耗電能會相應變小些。 恒流效果是達到了，但電路中一共使用了3只三極管，并且其中兩只還必須是高壓管，性價比不高啊。能簡化嗎？我們的目標是只用一只高壓三極管，且按本帖標題的說法，要用容易找得到的、價格較低的13001才好。 大家都知道13000系列三極管屬低β高反壓管，放大倍數大多在8—15倍的樣子，如果把上述電路４圖中的達林頓管改為單管，主要的問題就是放大倍數太低，因而要求基極電阻在100K左右且要選用1/4W功率的才行。雖然多消耗點功率也未償不能接受，但有違本帖的初衷。下面就把電路修改一下，看是否能行： （電路圖5） 調整管的放大倍數β仍然為10。從圖中通過LED的電流波形上看雖然有些波動，不過還算可以接受。在這樣的電流下，LED是不會有明顯的頻閃了。如果調整管的放大倍數能再大些效果就會更好一些，所以不要低于10吧。圖中又多加了個電容C1，起到了平滑調整管基極電壓的作用，使用電流更加平穩；同時有一定的緩啟的作用。如果要求不高的話，這個電容可以不加。另外，把壇友decent的用黃光二極管的限流電路也橫起來接好，經過提高電壓、減少燈珠、增大降壓電容量等改變多種條件測試，竟然與上一圖用三極管Q2的效果極其接近：  （電路圖6） 在這兩個圖中，流過調整管基極電阻R11的電流正常時都不到1mA。驅動部分的效率經計算約89.7%。 現在換個思路。使負載的電流穩定，可以用分壓的方法，也可以用分流的方法。下面是采用分流方法的電路圖：  （電路圖7） 由于降壓電容本身不消耗能量，所以才可以用分流的方法使LED中通過的電流減小，達到恒流的目的。從整體效率考慮，分流方法適合負載電壓較低的應用，比如剃須刀、定時器、手電筒等等，而并不適合高負載電壓的場合。這個圖中驅動電路實際效率僅約66%。發上來供大家參考，這里就不多說了。 把最近記錄的數據整理好后發到這里做為總結，如有與前面數據不一致的，以此為準；  可以告一段落了，能有些參考價值就知足了，其中還有不少謬誤，望大俠們多多包涵。 |
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