CN102938957A

CN102938957A - 抗浪涌电压的led灯脉冲式驱动电源

Info

Publication number: CN102938957A
Application number: CN2012104717067A
Authority: CN
Inventors: 汪孟金
Original assignee: Ningbo Zhenhai Huatai Electric Factory
Current assignee: Guangdong top technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN102938957B

Abstract

本发明公开了一种抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源，所述抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源具有整流桥和限幅电路两部份,所述限幅电路由负温度系数热敏电阻（NTC）与第三单极型瞬态电压抑制二极管（TVS3）组成，所述的整流桥由桥臂一、桥臂二、桥臂三及桥臂四组成,其中，桥臂一和桥臂二分别由第四整流二极管（D4）和第三整流二极管（D3）构成，桥臂三由第二整流二极管（D2）和第二单极型瞬态电压抑制二极管（TVS2）组成；桥臂四由负极相连的第一整流二极管（D1）和第一单极型瞬态电压抑制二极管（TVS1）组成。

Description

抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源

技术领域

本发明涉及LED灯领域，尤其涉及一种具有抗浪涌电压功能的“抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源”。

背景技术

LED灯因具有节能、环保、长寿命、响应快、色彩丰富、可控等系列优点，被人们认定为：推广LED灯，是灯具节电降耗的最佳实现途径。日本估计：如果用LED灯替代日本一半的白炽灯和荧光灯、则等效每年为日本国节约60亿升原油！有人甚至认为：LED灯是人类继爱迪生发明白炽灯泡后最重大的发明之一。灯外壳（或称灯罩）、发光二极管（Light Emitting Diode）组件（本文简称LED组件）、LED组件的驱动电源（本文简称驱动电源）即外壳、LED组件、驱动电源是LED灯的三大组成部份。驱动电源是LED灯的重要部件，只有驱动电源性能优越，LED灯才能呈现节电、长寿命的优点。

针对驱动电源重要性, 电子、电器行业内的技术人员研究、设计了多种LED灯驱动电源。中国专利申请号为 201020214658.X的“ 可调LED灯电源驱动电路”、申请号为 201120309550.3的“一种LED灯电源供电***”、申请号为 200710037934.2的“ LED驱动电源”、申请号为201110031371.2的“一种多路恒流大功率LED驱动电源”公开了各自专利申请人的研究成果。

上述公开技术的共同特点是：电子线路复杂、所用的电子元器件太多。

LED灯毕竟仅是一种要与白炽灯和荧光灯相竟争的低价位灯具，非价值千万元的军用雷达。电子线路太复杂、所用的电子元器件太多的LED灯驱动电源，将因造价高、可靠性低（所用的电子元器件多，就意味着造价高、可靠性低）而无实用价值。

目前在灯具市场较为流行的“阻容降压、整流桥整流、电容滤波”之LED灯驱动电源，虽然具有电子线路简单、所用的电子元器件少、造价低的优点，但也存在以下的缺点：

1、电子线路中使用了无极性电容和有极性的电解电容，而电解电容是寿命远低于LED组件的器件，故LED灯因其而受到缩短使用寿命的威胁；　

2、由于所述的驱动电源中存在电容，使LED灯变成AC电源的“容性负载”, 导致功率因素（Power factors）降低；

3、所述的上述驱动电源为直流输出，使LED组件从开灯到关灯一直持续通电工作，导致：

（1）、不能利用发光二极管中“荧光粉” 的余辉；

（2）、使LED灯温升增加，寿命缩短；

4、无抗雷击、防浪涌电压的功能。

发明内容

针对现有技术的现状,本发明要迖到的目标是：

1、秉着“至精必须至简，唯有简单实用才能长久流传”的出发点，应用电子技术，设计一个电子线路尽量简单的、所用器件尽量少的、价格尽量廉的LED驱动电源；

2、所设计的LED驱动电源输出的是脉宽（pulse width）可调、具有一定脉冲占空比(Duty Cycle)的脉冲式电源，在输出高电平的脉冲“占” 期间，LED组件通电发光；在输出低电平的脉冲“空” 期间，LED组件断电休息、且LED灯利用发光二极管中“荧光粉” 的余辉发光；即LED组件为间歇工作的模式，故其温升可降低、寿命能延长；

3、所设计的LED驱动电源兼具抗浪涌、抗雷击（雷击也可理解为强“浪涌”）的功能；

4、所设计的LED驱动电源兼具对LED组件热保护的功能。

为了达到上述目标, 本发明设计的技术方案是：

一种抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源，所述抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源具有整流桥和限幅电路两部份, 其特征在于：

所述限幅电路由负温度系数热敏电阻（NTC）与第三单极型瞬态电压抑制二极管（TVS3）串联而成，所述负温度系数热敏电阻（NTC）的第一端连接第三单极型瞬态电压抑制二极管（TVS3）的负极；所述负温度系数热敏电阻（NTC）的第二端作为第一输出端（3），而所述第三单极型瞬态电压抑制二极管（TVS3）的正极作为第二输出端（4）并与线路地连接；

所述的整流桥由桥臂一、桥臂二、桥臂三及桥臂四组成;其中，

桥臂一和桥臂二分别由第四整流二极管（D4）和第三整流二极管（D3）构成，所述第四整流二极管（D4）和第三整流二极管（D3）的负极相连后连接所述第一输出端（3）；

桥臂三由负极相连的第二整流二极管（D2）和第二单极型瞬态电压抑制二极管（TVS2）组成；

桥臂四由负极相连的第一整流二极管（D1）和第一单极型瞬态电压抑制二极管（TVS1）组成；

所述第二单极型瞬态电压抑制二极管（TVS2）的正极和第四整流二极管（D4）的正极相连接后作为第一输入端（1）；

所述第一单极型瞬态电压抑制二极管（TVS1）的正极与第三整流二极管（D3）的正极相连接后作为第二输入端（2）；

所述第二整流二极管（D2）的正极和第一整流二极管（D1）的正极相连后连接所述第二输出端（4）。

其中，在所述第一输入端（1）和第二输入端（2）之间接入AC电压；在第一输出端（3）和第二输出端（4）之间接入LED。

所述的单极型瞬态电压抑制二极管TVS1、TVS2、TVS3可以由压敏电阻（Voltage Dependent Resistor）替代，但优先采用单极型瞬态电压抑制二极管。

理论分析和实验样机的长时间的运行结果（本发明电子元件少, 样机很容易做）均证明,应用本发明, 可以取得以下有益效果：

1、价廉：本发明仅用采购价约为一元的八个电子元件组成，低廉的价格为LED灯大面积推广创造了条件。

2、物美：上述八个电子元件可以与LED组件集成在一起，生产出价廉物美的LED灯。

3、延寿：基于以下的原因，本发明提升了LED灯的工作寿命：

（1）、无寿命远低于LED组件的电解电容，故LED灯因其而受到缩短工作寿命的威胁被解除；　

（2）、设有温度负反馈器件热敏电阻NTC，可防止LED灯温度过高；

（3）、具有防雷击抗浪涌电压的功能，可使LED灯免遭雷击和浪涌的损伤；

（4）、LED灯按间歇工作的脉冲模式运行，降低了温升。

4、节电：间歇工作的脉冲运行模式，是节电的工作方式，LED灯因此而节省了电能；在两个脉冲之间，利用发光二极管中“荧光粉” 的余辉发光，使LED灯进一步节省了电能。

5、功率因素高：电路中无感性与容性器, 因此功率因素高。

6、抗浪涌：本发明采用了单极型瞬态电压抑制二极管（TVS）结合整流二极管来构成输入端的桥式整流电路，该单极型瞬态电压抑制二极管是一种高效能保护器件，当TVS两极受到反向瞬态高压冲击时，其能够以10^-12秒量级的速度，将TVS两极间的高阻抗瞬时变为低阻抗，并且能够吸收高达数千瓦的浪涌功率，从而使得TVS两极间的电压箝位于固定值，从而有效保护后端的LED器件。

附图说明

图1为本发明的原理方框图；

图2为实施例1的电路原理图；

图3为本发明输出的脉冲电压U0之波形图；

图4为AC电压的波形图；

图5为单极型瞬态电压抑制二极管的V—I特性曲线；

图6为实施例2的电路原理图；

图7为实施例3的电路原理图；

图8为实施例4的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图, 说明本发明的实施方式。

图1为本发明的原理方框图，图中，虚线方框代表整流桥100。本发明由整流桥100及限幅电路200组成，其中，整流桥100包括桥臂一101、桥臂二102、桥臂三103及桥臂四104; 并且, 所述的桥臂一101、桥臂三103各自的一端连接在一起成为所述的整流桥100之输入端1，所述的桥臂二102、桥臂四104各自的一端连接在一起成为所述的整流桥100之输入端2；所述的桥臂一101、桥臂二102各自的另一端连接在一起成为所述的整流桥100之输出端3，所述的桥臂三103、桥臂四104各自的另一端连接在一起成为所述的整流桥100之输出端4；所述的整流桥100之输出端4与线路地相连接；所述的限幅电路200与LED组件300相并联，它们并联后，一端与所述的整流桥100之输出端3相连接，另一端与所述的线路地相连接；AC电压的一端即P1端与所述的整流桥100之输入端1相连接，另一端即P2端与所述的整流桥100之输入端2相连接。

图2是本发明实施例1的电路原理图，图中：第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第三整流二极管D3、第四整流二极管D4、第一单极型瞬态电压抑制二极管TVS1、第二单极型瞬态电压抑制二极管TVS2共同组成了本发明的整流桥100；其中：

第一整流二极管D1、第一单极型瞬态电压抑制二极管TVS1各自的负极连接在一起相串联后组成所述的桥臂一101，并且，所述的D1之正极与所述的整流桥100的输入端1相连接，所述的TVS1之正极与所述的整流桥100的输出端3相连接；

第二整流二极管D2、第二单极型瞬态电压抑制二极管TVS2各自的负极连接在一起相串联后组成所述的桥臂二102，并且，所述的D2之正极与所述的整流桥100的输入端2相连接，所述的TVS2之正极与所述的整流桥100的输出端3相连接；

所述的桥臂三103由第三整流二极管D3构成，并且，所述的D3之正极与所述的整流桥100的输出端4即线路地相连接，负极与所述的整流桥100的输入端1相连接；

所述的桥臂四104由第四整流二极管D4构成，并且，所述的D4之正极与所述的整流桥100的输出端4即线路地相连接，负极与所述的整流桥100的输入端2相连接；

负温度系数热敏电阻NTC与第三单极型瞬态电压抑制二极管TVS3相串联后构成了所述的限幅电路200，并且，所述的NTC的一端与所述的整流桥100的输出端3相连接，另一端与所述的TVS3之负极相连接，所述的TVS3的正极则与所述的整流桥100的输出端4即线路地相连接；

本实施例1输出的脉冲电压U0之正端与所述的整流桥100的输出端3及LED组件300的正极端相连接，负端与所述的整流桥100的输出端4及LED组件300的负极端相连接。

本发明的工作过程为：

结合图1、图2、图3、图4：从P1、P2端输入的AC电压的数学表达式为：

u=Umsim（ωt＋φ）

上式中：u为AC电压的瞬时值, Um为AC电压的的振幅值, ω为AC电压的角频率, φ为AC电压的初相角。

为简便说明, 现假设初相角φ=0, 则AC电压的瞬时值、即施加在所述的整流桥100之输入端1、2之间的电压u的表达式为：

u=Umsimωt

其波形如图4所示。

在0～t01的时域内，AC电压为正半周，电压u为整流桥100之输入端1处于高电平、整流桥100之输入端2处于低电平的状态，桥臂二102中的第二整流二极管D2和桥臂三103中的第三整流二极管D3均因反向偏置而截止，等效为开路。换言之：在AC电压为正半周时，桥臂二与桥臂三均截止。

图5为单极型瞬态电压抑制二极管的V—I特性曲线，图中uB为其反向击穿电压。

在0～t1的时域内，整流桥100的输入端1、输入端2之间的电压值u=Umsimωt的值小于单极型瞬态电压抑制二极管TVS1的反向击穿电压uB1的值，即：u＜uB1，所述的TVS1等效为开路，故输出的脉冲电压U0=0、脉冲电流I0＝0；

在t＝t1时，u＝uB1，所述的TVS1反向击穿，等效为短路，形成脉冲电压U0陡直的上升沿，脉冲电流I0沿着P1—D1—TVS1—LED组件—D4—P2的路径流动，LED组件300通电发光；

在t1～t2的时域内，u＞uB1，所述的TVS1保持等效短路，LED组件300保持通电发光；

在t2～t01的时域内，u＜uB1，所述的TVS1恢复截止，等效为开路，脉冲电流I0＝0、脉冲电压U0=0，LED组件300断电，进入休息散热的状态；

综上所述：当整流桥100的输入端1、输入端2之间的电压值u大于或等于单极型瞬态电压抑制二极管TVS1的反向击穿电压uB1的值，即u≥uB1时，所述的TVS1导通，桥臂一101也随之导通；反之，当u＜uB1时，所述的TVS1截止，桥臂一101也随之截止；

在t01～t02的时域内，AC电压为负半周，电压u为整流桥100之输入端1处于低电平、整流桥100之输入端2处于高电平的状态，桥臂一101中的第一整流二极管D1和桥臂四104中的第四整流二极管D4均因反向偏置而截止，等效为开路；換言之：在AC电压为负半周时，桥臂一101与桥臂四104均截止。

在t01～t3的时域内，整流桥100的输入端2、输入端1之间的电压u=Umsimωt的值小于单极型瞬态电压抑制二极管TVS2的反向击穿电压uB2的值，即：u＜uB2，所述的TVS2等效为开路，故输出的脉冲电压U0=0、脉冲电流I0＝0；LED组件300继续断电，仍保持休息散热的状态；

在t＝t3时，u＝uB2，所述的TVS2反向击穿，等效为短路，形成脉冲电压U0的第二个脉冲之陡直的上升沿，脉冲电流I0沿着P2—D2—TVS2—LED组件—D3—P1的路径流动，LED组件300通电发光；

在t3～t4的时域内，u＞uB2，所述的TVS2保持等效短路，LED组件保持通电发光；

在t4～t02的时域内，u＜uB2，所述的TVS2恢复截止，等效为开路，脉冲电流I0＝0、脉冲电压U0=0，LED组件300断电，进入休息散热的状态；

综上所述：当整流桥100的输入端2、输入端1之间的电压值u大于或等于单极型瞬态电压抑制二极管TVS2的反向击穿电压uB2的值，即u≥uB2时，所述的TVS2导通，桥臂二102也随之导通；反之，当u＜uB2时，所述的TVS2截止，桥臂二102也随之截止；

在AC电压过零点t01附近的t2～t3时域内，脉冲电流I0＝0、脉冲电压U0=0，LED组件300断电，为休息散热的状态。在此状态下，发光二极管中“荧光粉” 的“余辉”将保持LED组件300生辉发光。

以上阐述了本实施例1在AC电压一个周期內的工作过程，t＝t02之后，AC电压进入下一个周期，本实施例1的工作过程与以上阐述的工作过程相同。

结合图2，在正常情况下，本实施例1的限幅电路200中的单极型瞬态电压抑制二极管TVS3两端电压U3的值小于其反向击穿电压uB3的值，即：U3＜uB3，所述的TVS3等效开路，所述的限幅电路200不工作。

当浪涌或雷击电压到来时，脉冲电压U0上升，导致U3＞uB3的条件成立，所述的TVS3反向击穿，等效短路，从而保护了LED组件，使其不受浪涌或雷击而损坏；

温度过高是造成LED组件300损坏的重要原因。当LED灯的温度过高时，负温度系数热敏电阻NTC的阻值减小，其对脉冲电压U0的分压减小，导致U3＞uB3的条件成立，所述的TVS3反向击穿，等效短路，流经LED组件300的脉冲电流就急骤减小, 其温升也随之减小，从而保护了LED组件，其温升过度而损坏的威肋便被解除。

综上所述，在正常情况下，限幅电路200中的单极型瞬态电压抑制二极管TVS3等效开路；当浪涌或雷击电压到来或LED灯的温度过高时，所述的TVS3反向击穿，等效短路。

本实施例1的技术特征：

1、结合图3，单极型瞬态电压抑制二极管TVS1、TVS2反向击穿电压uB的值，决定了脉冲电压U0的脉冲宽度T，单极型瞬态电压抑制二极管TVS1、TVS2反向击穿电压uB的值越高，脉冲电压U0的脉冲宽度T越小，反之，单极型瞬态电压抑制二极管TVS1、TVS2反向击穿电压uB的值越低，脉冲电压U0的脉冲宽度T越大。换言之：可以通过选取不同反向击穿电压uB的单极型瞬态电压抑制二极管来达到调整LED组件300功率的目的；

2、结合图3、图4，本发明输出的脉冲电压U0的重复频率为AC电压频率的二倍，对50Hz的交流电, 所述的脉冲电压U0的重复频率为100Hz，对60Hz的交流电, 所述的脉冲电压U0的重复频率则为120Hz。人类可以感受到的最高闪烁频率是70Hz，因此, 即使不计发光二极管中“荧光粉” 的“余辉” 效益，LED灯应用本发明，也不会给人产生闪烁的印象。

3、LED灯应用本发明之后，按间歇工作的脉冲模式运行，即：所述的脉冲电压U0输出高电平时，其通电发光，所述的脉冲电压U0输出低电平时，其断电休息、散热并利用“余辉” 生光。

LED灯这种间歇工作并利用“余辉” 效益的脉冲方式，带来了以下优点：

（1）、降低了电耗；

（2）、降低了温升, 延长了其使用寿命；

（3）、“余辉” 效益, 使其光线更柔和。

图6为实施例2的电路原理图，本实施例2是将实施例1中的桥臂1、桥臂4，桥臂2、桥臂3同时互易而设计成的“抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源”。

图7为实施例3的电路原理图，本实施例3是将实施例1中的桥臂1、桥臂4互易而设计成的“抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源”。

图8为实施例4的电路原理图，本实施例4是将实施例1中的桥臂2、桥臂3互易而设计成的“抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源”。

本专业的技术人员应该清楚，作上述互易后设计的实施例2、实施例3、实施例4的工作原理、工作过程均与实施例1相同。

Claims

1.一种抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源，所述抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源具有整流桥和限幅电路两部份, 其特征在于：

2. 如权利要求1所述的抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源，其特征在于：

在所述第一输入端（1）和第二输入端（2）之间接入AC电压；在第一输出端（3）和第二输出端（4）之间接入LED。

3.如权利要求1所述的抗浪涌电压的LED灯脉冲式驱动电源，其特征在于：

所述的第一单极型瞬态电压抑制二极管（TVS1）、第二单极型瞬态电压抑制二极管（TVS2）和第三单极型瞬态电压抑制二极管（TVS3）可以由压敏电阻替代，但优先采用单极型瞬态电压抑制二极管。