CN101309010A - 带led照明灯的功率因数补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于交流电网功率因数补偿的带LED照明灯的功率因数补偿器。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：带LED照明灯的功率因数补偿器固定接入交流市电，LED照明灯通过遥控方式或微动开关点亮或关闭，而功率因数补偿电路一直在工作，在电网中本发明呈容性，起到了功率因数补偿的作用；本发明解决了目前带有功率因数补偿的LED节能照明灯关闭时不能起到功率因数补偿的问题，可以24小时不间断进行功率因数补偿。带LED照明灯的功率因数补偿器具有使用灵活的特点：你可以通过电源开关把它完全关断，也可以通过遥控器或微动开关只把LED灯关掉而保留功率因数补偿的功能，以为那些长时间开通的低功率因数的负载如电冰箱、空调或处于待机状态的电脑、电视、音响等进行功率因数补偿。本发明既是LED照明灯，同时又是功率因数补偿器；作为LED照明灯，它耗电省、亮度高、使用寿命长；作为功率因数补偿器，它能提高功率因数、减少功率损耗、吸收电网的有害脉冲，具有节电功能，把无功功率转变为有功功率。本发明成本不高，若推广到每家每户，将能改善交流电网的谐波电流，提升交流电网的功率因数，节约能源，其经济效益、社会效益不可限量，对国对家都极为有益。

Description

带LED照明灯的功率因数补偿器

技术领域

本发明涉及一种功率因数补偿器，具体是涉及一种带LED照明灯的功率因数补偿器，它既是功率因数补偿器，同时又是LED照明灯。

背景技术

全球能源面临危机。为了有效利用能源，国际电工委员会(I.E.C)针对电器的电源供应制定了一系列的规范，IEC-1000就是对于电源供应中谐波电流所作的规范，而功率因数补偿法是目前运用的最有效的方法之一，电力用户常用的无功功率补偿设备是电容器。所谓功率因数是有用功和总功率之比例，即有用功占有用功与无用功向量和之比例。用户用电功率因数之高低会影响电力供电成本，而目前家用电器如电风扇、电冰箱、空调、洗衣机、萤光灯等感性电器以及带有开关电源或整流滤波电路的家电如电视机、电脑、电磁炉、音响、节能灯等等的功率因数都很低，如果用户能采用设置电容器的方法提高功率因数，可以减少供电成本，节约能源，降低谐波电流的污染，但是绝大多数用户并无此观念。目前许多国家和地区都对用户用电的功率因数提出了要求，如我国台湾省的电业法第69条规定：用户每月用电之平均功率因数不及80％时，每低1％，该月电费应增加千分之3；超过80％时，每超过1％，该月电费应减少千分之1.5。对用户用电的功率因数提出要求是大多数国家今后的趋势。LED作为半导体固体“冷”光源，具有高效节能、长寿命、低维护费用、无污染、多色彩等特点，是传统的白炽灯和充气光源的理想取代品，因此国家***与***提倡今后将全面使用LED照明。本发明以一种适用于交流电网功率因数补偿的带LED照明灯的功率因数补偿器：既是功率因数补偿器，同时又是LED照明灯，帮助用户自觉养成节约能源的习惯，以提升交流电网的功率因数，对国对家都极为有益。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于交流电网功率因数补偿的带LED照明灯的功率因数补偿器。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：带LED照明灯的功率因数补偿器固定接入交流市电，其中LED照明灯可通过遥控方式或微动开关点亮、关闭，而功率因数补偿电路一直在工作，在交流电网中本发明呈容性，起到了功率因数补偿的作用。本发明解决了目前带有功率因数补偿的LED照明灯关闭时不能起到功率因数补偿的问题。

带LED照明灯的功率因数补偿器可以由遥控器遥控使用，其解决方案示意图见图1，带LED照明灯的功率因数补偿器电路原理图见图2，它由功率因数补偿、降压整流滤波稳压、单片机控制、LED驱动、LED及遥控接收整形等部分组成，见图1；电路原理图见图2，电容C1C2起功率因数补偿作用，其中C1起主要的功率因数补偿作用，C2协同C1对功率因数补偿和吸收电网的有害脉冲起到了辅助效果，C1C2同时对交流电压进行分压而起到了降低交流电压的作用；C3C4滤波，Q1Q2及其***元件构成的电路起稳压作用；单片机选用廉价的EM78P153S：当LED灯熄灭时单片机处于睡眠状态，有遥控信号时接收到从遥控接收整形部分送来的控制信号被唤醒进行解码和判断，以决定是否输出脉冲使Q3Q4Q5去驱动LED，而当LED灯点亮时若收到同样的控制信号则熄灭LED灯；LED的驱动既可以采用恒流驱动也可以采用脉冲驱动，可根据需要选择驱动几路相同颜色或不同颜色的LED，还可以手动改变LED的色温或使LED自动改变颜色。

遥控LED灯的遥控器可以采用任意的电视或音响使用的红外线遥控器，也可以采用专门配套的脉冲驱动LED小手电同时兼做遥控器，此时遥控接收整形部分可以采用通用的红外接收器；遥控器又可以采用超声波遥控器，其实就是采用能发出高频声波的简单机械声学发生器，此时遥控接收部分可以采用驻极体话筒或超声波传感器，后面再加以运放滤波放大整形；遥控器又可以采用无线射频遥控器，此时遥控接收部分可以采用超再生接收电路，后面再加以运放滤波放大整形，由于无线信号会穿透墙壁，采用无线射频遥控时需要采用编码调制，在遥控接收部分再进行解码；当然，本发明也可以做成插座灯直接插在墙壁的插座上，这时可以不用遥控器了，只要按动LED照明灯上的微动开关即可控制灯的亮灭。

采用红外线遥控器的方案比较灵活方便：红外线遥控器可以采用家中原有的任意彩电、空调或音响所用的遥控器，红外线遥控接收部分可以采用在电视、空调或音响中已大量应用的红外线遥控接收电路，其电路模块原理图及外形图见图3；由于LED照明灯一般不会和电视或音响安放在一起，所以使用此类遥控器控制LED照明灯不会和电视或音响相互影响；红外线遥控接收不必采用专门的编码解码，只要按下遥控器的任意键即可，遥控接收部分仅需根据所接收到的脉冲串的长度来进行解码和判断。红外线遥控发射器一则可以采用任意的电视、空调或音响使用的红外线遥控器兼用，再则由于红外线接收传感器同时也可以接收到可视的光线，还可以采用为本发明专门配套的采用脉冲驱动的LED小手电作遥控器，其驱动脉冲的的载频及调制波形和红外线遥控器相仿即可，同时也是给用户一个精致小巧的LED小手电，其电路原理图见图4。

这里重点分析电容降压整流稳压电源的电压和电流的计算方法：交流市电ACin经C1C2分压，所得交流电压有效值为AC1＝[C1/(C1+C2)]×ACin(公式一)，其中ACin为交流输入电压有效值；AC1经D1D2D3D4全桥整流，C3滤波，得到未经稳压且没和电网隔离的直流电压VCC，空载时VCC≈1.414AC1＝1.414[C1/(C1+C2)]×ACin(公式二)。Q1Q2及其***元件构成的稳压器其静态电流很小，输入电压范围大，在工作时其功耗也不大，Q1Q2的耐压需大于VCC。由C1所决定的最大短路电流Imax＝ACinωC1(公式三)，其中ω为交流输入电压角频率。LED灯点亮时，根据最大传输原理，当负载逐渐加大，其最大功率输出发生在1/2×VCC时，此时电流Io＝K×1/2×Imax(公式四)，可称Io为最大工作电流，K是当所选的VCC较高时使C1两端电压略有下降而产生的一个系数，K＝(1.414ACin-1/2×VCC)/1.414ACin(公式五)，大多数情况下K＝0.9-1.0，当所选的VCC不太高时可近似取K＝1。这样，当LED灯不亮即空载时，电容降压整流输出电压为VCC；当LED灯点亮时，电容降压整流输出电压为1/2×VCC，只要我们很据LED灯所需要的工作电流和电压，依照上述公式即可计算出C1和C2的数值，以下将在具体实施方式中以实际应用电路举例说明计算方法。

带LED照明灯的功率因数补偿器具有使用灵活的特点：你可以通过电源开关把它完全关断，也可以通过遥控器或微动开关只把LED灯关掉而保留功率因数补偿的功能，以为那些长时间开通的低功率因数的负载如电冰箱、空调或处于待机状态的电脑、电视、音响等进行功率因数补偿。

当LED灯关断时带LED照明灯的功率因数补偿器处于待机状态，由于红外线接收传感器或超再生接收电路或驻极体话筒消耗电流很小，超声波传感器可以不消耗电流，所以待机电流主要是用作信号放大的运放或红外接收IC的静态电流，约小于1毫安，若是使用微动开关的方式则根本不消耗电流；而待机状态时单片机是处于睡眠状态，耗电只有1微安，因此处于待机状态时带LED照明灯的功率因数补偿器就是起功率因数补偿器的作用，其静态耗电极少完全可以忽略，因为它远远小于功率因数补偿器所节省的功率；而当LED照明灯点亮时，带LED照明灯的功率因数补偿器对交流电网仍显容性，还是具有一定的功率因数补偿的作用，并具有节能作用，可以认为用于驱动LED的功率有一部分是通过功率因数补偿得来的，或理解为电容和电网中的感性负载互相交换能量，既提升了功率因数，又把所节省的部分能量用于驱动LED，其实质是把无功功率转变为有功功率，这真正是既能节能又能照明的节能照明灯！发明人使用交流电流表测得某电风扇的工作电流为230mA，然后并入几个采用本发明具体实施方式制作的2瓦LED节能照明灯，交流电流表指针所增加的数值折算成功率后大大小于LED节能照明灯所消耗的功率，用功率因数补偿法驱动LED真是一个节能的好办法。更大量的节能数据有待更广泛的实际检测验证，其结果一定是非常鼓舞人心的。本发明若能及早推广，其经济效益、社会效益不可限量。

随着LED技术的不断提高，LED照明灯具有很好的发展前景。几乎可以肯定的是，再过几年，LED照明灯就能成熟到取代老式照明灯，拧入大多数灯座，而寻找一种驱动LED照明灯的最佳方法是当务之急。LED本身很节能，目前LED灯的整体效率不够高其主要原因是有些驱动电路的效率不够高，本发明没有使用变压器、开关电源等会消耗功率或发热的元器件或电路，所以比起其它驱动LED的方法效率更高；另外本发明在电网中呈容性，起到了功率因数补偿的作用，而且可以24小时不间断进行功率因数补偿。放眼现在的家用电器，可以说几乎除了白炽灯以外，所有电器的功率因数都不高，工厂所用的电器其功率因数更低，使得目前交流电网的功率因数日益恶化，发电厂必须使用昂贵的大容量功率因数补偿器来集中调整功率因数，但也只能稍有改善而已，因是集中调整效果并不理想，若能推广本发明，不但本身就节能，还能分散开来对交流电网的功率因数起改善作用，其经济效应十分可观。

本发明的有益效果是：提供了一种适用于交流电网功率因数补偿的带LED照明灯的功率因数补偿器，它具有使用灵活的特点：你可以通过电源开关把它完全关断，也可以通过遥控器或微动开关只把LED灯关掉而保留功率因数补偿器的功能，即可以24小时不间断进行功率因数补偿。本发明既是LED照明灯，同时又是功率因数补偿器。作为LED照明灯，它耗电省、亮度高、使用寿命长；作为功率因数补偿器，它能提高功率因数、减少功率损耗、吸收电网的有害脉冲，具有节电功能，把无功功率转变为有功功率。本发明成本不高，若推广到每家每户，将能改善交流电网的谐波电流，提升交流电网的功率因数，节约能源，其经济效益、社会效益不可限量，对国对家都极为有益。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1本发明带LED照明灯的功率因数补偿器解决方案示意图；

图2本发明带LED照明灯的功率因数补偿器电路原理图；

图3本发明遥控器采用红外线遥控器的红外线遥控接收模块原理及外形图；

图4本发明可用作遥控器的采用脉冲驱动的LED小手电电路原理图。

具体实施方式

1、见图2本发明带LED照明灯的功率因数补偿器电路原理图。选用两组各10个小功率白光LED，其平均工作电流为IF＝30mA，正向电压压降VF＝3.0V，白光LED采用恒流驱动，其总工作电压为10×VF＝30V，总工作电流为2×IF＝60mA；若要求LED的色温可调，可再增加一组10至15个黄光LED，黄光LED发光效率高价格低廉，增加色温调节对成本和耗电影响不大，黄光LED的平均工作电流为IF`＝10mA，正向电压压降VF`＝2V，由可变占空比的脉冲电流驱动，当驱动电流的占空比为零时，LED节能照明灯的色温由小功率白光LED的色温决定，大部分人都会觉得色温偏冷，当驱动电流的占空比逐渐增大时，LED节能照明灯的色温逐渐变暖，本具体实施例通过长按遥控器来选择色温，驱动电流的占空比可由零调至100c/o，其色温的变化范围已能满足要求。如此，总共三组LED的总电流Io＝60～70mA，平均电流为65mA，总工作电压1/2×VCC＝10×3.0＝30V，空载电压VCC＝60V。

由公式五求得K≈0.9，由公式四求得Imax＝144mA，由公式三求得C1＝Imax/ACinω≈2微法，由公式二VCC＝1.414[C1/(C1+C2)]×ACin可求得C2≈8.2微法，C1可取2uF/630V，C2取8.2uF/100V，电阻R1是当交流电源断开时给C1放电的，可选为2.2MΩ。LED1-1～LED1-10和LED2-1～LED2-10为小功率白光LED，其工作电流I1＝I2＝30mA由R10和R11限定，R10＝R11＝0.6V/30mA＝20Ω，LED3-1～LED3-10为黄光LED，其工作电流I3＝10mA由R12限定，R12＝0.6V/10mA＝60Ω，取为56Ω。

单片机EM78P153S采用RC振荡方式，当LED灯熄灭时处于睡眠状态，有遥控信号时接收到从遥控接收整形部分送来的控制信号被唤醒进行解码和判断，当遥控器短按一下(约0.5秒)，输出高电平或脉冲使Q3Q4Q5去驱动点亮LED灯，而当LED灯点亮时若收到同样的控制信号则熄灭LED灯；另外，当LED灯熄灭时若长按遥控器(大于2秒)，则单片机点亮LED灯并在2秒后以5秒为周期循环改变Q5驱动电流的占空比由零调至100％，从而调节LED节能照明灯的色温直到你感到满意放开遥控器按键为止。若改用三组不同颜色的LED，则可以把长按2秒作为使LED自动改变颜色的控制按钮，这时LED节能照明灯会不停的自动改变颜色。

红外线遥控接收部分采用电视机音响空调常用的SFH红外遥控接收模块，其工作电流仅为0.5mA，内部组成原理和外形图见图3，此模块可用几厘米长的屏蔽线接到带遥控LED照明灯的功率因数补偿器的外部，选择可以让遥控器或LED小手电容易照到的位置固定住即可。

当本发明做成插座灯可直接插在墙壁的插座上，这时只要按动LED节能照明灯上的微动开关K即可控制灯的亮灭和调节色温，此时可以不使用遥控器并可以节省红外线遥控接收模块的成本以简化电路。当然，更简易的办法是直接使用一个开关控制LED灯的亮灭，此时可以把单片机也省掉。

2、见图4本发明可用作遥控器的采用脉冲驱动的LED小手电电路原理图。供电电源直流3伏，除了L1L2采用插件外，EM78P153S和其它元器件都采用贴片。单片机EM78P153S采用RC振荡方式，平时处于睡眠状态，耗电仅1微安，可长期接在电源上，当按钮“K”按下时唤醒单片机。R1和DZ1的参数可调整至当电压降至约2.7V时单片机检测到低电压，检测方法是当点亮LED手电时CPU定时从P53送出低电平的同时由P52检测电压是否偏低，电压高时驱动LED的脉冲串占空比约44％，电压低时驱动LED的脉冲串占空比约50％；或脉冲串占空比固定为50％不变，电压高时只从P50输出脉冲串，电压低时从P50P51同时输出脉冲串，驱动脉冲的载频及调制波形和电视机遥控器相仿即可。Q1Q2使用放大倍数约100倍的NPN贴片三极管，Q1Q2和相应的***元件在单片机的驱动脉冲控制下，形成两个典型的它激式升压型开关电源，以分别驱动高亮度白光LED，LED分开驱动使每个LED能工作地更好。LED驱动电流的大小可由R5R7或R6R8调整，整机电流在电压高时可调至约50mA，电压降至约2.7V以下时增加至约60mA以维持其亮度不明显变小。

这种LED小手电成本不高，可为用户增加一个实用的夜间照明用具。

Claims (6)

1、一种适用于交流电网功率因数补偿的带LED照明灯的功率因数补偿器：既是LED照明灯，同时又是功率因数补偿器；它由功率因数补偿、降压整流滤波稳压、单片机控制、LED驱动、LED及遥控接收整形等部分和遥控器组成，其特征在于：可以通过遥控器或微动开关只把LED灯关掉而保留功率因数补偿器的功能。

2、根据权利要求1所述的带LED照明灯的功率因数补偿器，其特征在于：所述遥控器既可以采用专门配套的遥控器，也可以使用现成的电视或音响、空调使用的遥控器。

3、根据权利要求1所述的带LED照明灯的功率因数补偿器，其特征在于：所述专门配套的遥控器也可以当作LED小手电使用。

4、根据权利要求1所述的带LED照明灯的功率因数补偿器，其特征在于：所述遥控器可以采用红外线遥控器、超声波遥控器或无线射频遥控器。

5、根据权利要求1所述的带LED照明灯的功率因数补偿器，其特征在于：若做成插座灯直接插在墙壁的插座上，只要按动灯上的微动开关也可控制灯的亮灭。

6、根据权利要求1所述的带遥控LED照明灯的功率因数补偿器，其特征在于：可以手动改变LED的色温或使LED自动改变颜色。

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