2013年8月19日 星期一

耐開關的 AC 110v 驅動 LED 燈

之前做過幾個使用電容限流的AC-LED燈,但都有一樣的問題就是開關多切換幾次後,LED就很容易燒壞。尤其是在關掉後又馬上開時更容易燒。
經過努力研究之後,終於完成了以下的電路,絕對有高效率、而且安全耐開關切換,如下圖,



這電路一樣是使用容阻限流的設計。但不同是,
1. 它沒有限流電阻,所以不會有在電阻上浪費的功耗。
2. 不同的重點是這個"特大容量"的C2,它充當了很重要的保護及定電流功能。

電路說明:

先從理論來看看為什麼。先不管其他電路部份,只考慮C1跟C2的交互作用。(以下計算都先不考慮二極體壓降以及其他較微小的電壓差,以方便計算)

 

在這個電路上,當AC電源接入時,C1跟C2串接在110v的AC電源上(峰值155v),所以在每一半波週期時,由於C1跟C2串連,所以在C1跟C2上的壓降分別會是,
VC1 = 155v*C2/(C1+C2) = 155*680uF/(0.56+680uF) ~= 154.88v
VC2 = 155v*C1/(C1+C2) = 155*0.56uF/(0.56+680uF) ~= 0.12v
也就是說,在每一個半波中,大部份的電壓都先充電在C1上,C2上最多才會充電進0.12v的電壓而已。所以需重覆幾次充電後,C2上的電壓才能充電到足夠LED點亮的電壓,這時LED才會開始點亮。同時接下來當電路運作平衡後,每一次經由C1充電進來的電壓,會都剛好被LED用掉,這就形成定電流運作。在這時,每一半波週期高峰前,C2上的電壓由於C1限制,每次充電最多上升0.12v,然後在半波週期結束前,C2持續經由LED放電,到下一半波週期前,剛好把前半波週期充電的0.12v用完,又持續充放電週期。

再看看LED的部份,這張圖是一般5mm LED的電壓電流圖,

 

當電壓小於約2.5v時,電流都幾乎是0。從3v(A點)到3.5v(C點)間,電流會是大約從10mA到30mA的線性增加。(30mA是廠商宣稱能持續運作的最大電流值),電壓3.25v(B點)時,電流剛好是20mA。

結合這兩個數據,當這個LED燈插入110v市電後,以AC電源上的時間點如下,



則電壓電流大約會是如下表的方式,

剛開始從T0開始。
T0至T1間,AC電壓上升,C1充電,C2慢慢充電,
T1至T2間,AC電壓下降,C1對AC放電(所以這是虛功),C2由於橋整,所以並不會對AC放電。
T2至T3間,AC電壓變負,C1負向充電,C2由於橋整,所以C2繼續慢慢充電。
T3至T4間,AC電壓由負降回0,C1再對AC放電(這也是虛功),C2由於橋整,所以並不會對AC放電。
...整個電路就這樣反覆不停充放電。
當到Tn開始平衡後,每次在Tn至Tn+1充進C2的電,會在Tn+1至Tn+2時由LED用掉,所以結果是C2上的電壓(即LED上電壓)會在以3.25v為中心,0.12v峰峰值上跳動(約3.25-0.06=3.19v至3.25+0.06=3.31v間),即LED電流會在約19mA至23mA間跳動,平均約20mA的電流。所以LED電流會在這區間內週期改變,這樣解釋應該可以吧。

再來看開關彈跳時,AC電源對LED造成的影響。如果開關彈跳是以如下的方式(這是突波最高的狀況,也是一般LED燈最會燒掉的時候),

 

即在T1時,當C1充電到最高電壓時,電源被斷開,所以C1的電壓被鎖住無法洩放。又在最差的情況,即T3時開關接續回來,因此會變成整個電路的電壓提高到變成是C1電壓再加電源電壓,成為正常的兩倍。所以在這狀況下,C2電壓會成倍充電,也就是C2上電壓會被充電0.12x2=0.24v。不過仔細看圖可以發現,T1到T3間並沒有電源接入,所以原本在T2至T3間應進行對C2的充電沒有發生,所以T2至T3間,C2其實就已經多了半個週期的放電,所以C2已經預先比正常時多放掉了0.12v的電壓,因此這個彈跳電壓就被消除掉了。如下表,

所以即使這情況發生,C2上的電壓也不會暴充,所以不會有問題。這樣應該可以解釋C2定電流及抗開關彈跳的能力了吧。

那既然C2就可以穩壓了,要Zener做什麼呢?
想想看如果LED壞了,充電到C2的電沒得釋放,那C2電壓一直上升到超過C2可承受的電壓,接下來可能就要放鞭炮囉。所以這個Zener是用來預防當LED損壞時,洩放C2上的電能的。

保護機制:

經過在論壇幾位大大指點,電路保護機制非常重要,這電路因為沒有電阻,所以如果有元件損壞,可能會發生電氣短路危險,故補上保護設計。目前建議是加上100mA的保險絲(或改用50歐姆1/16W,或100歐姆1/8W的電阻)。由於手上目前沒有100mA保險絲,所以尚未實驗確認是否可以耐多次開關

如果元件失效是LED, Zener, 或C2,由於C1本身有限流功能,故不太會有問題。但若是C1發生短路,很可能會連帶造成Zener擊穿短路,則整個電路就會短接,市電將變成直接短路,因此需要串保險絲或電阻以進行保護。考量保護機制分三部份,

1. 正常運作情況:這時電路平均電流約20mA,所以如果使用保險絲需20mA以上,若是電阻需IxIxR的消耗功率需小於額定功率,以確保正常運作時保護機制不會啟動。

2. 啟動瞬間情怳:即之前所提最壞情況下的開關動作。這時電路上有311v的電壓差,主要考慮是這時的瞬間電流,要確保在這情況下保護動作不會啟動。若使用電阻的話,這種瞬間電流應該不會有問題。若使用保險絲的話,由於保險絲的動作是因熱量累積造成燒熔,可查得到的保險絲規格如下表

Fuse.jpg 

規格上最短的熔斷時間是0.1mS時的平均熔斷電流,個人不專業的計算方式是單純計算C1如果在這時間內充完311v所需的平均電流。以電容充電的公式,
dI=C(dV/dT) = 0.56uFx(311v/0.1mS) ~= 1.74A
查表63mA保險約1.7A,100mA保險約是3A,所以預估應該100mA保險絲可以使用。不過這是不專業預估,希望高手們可以指導一下,這樣大家就可以多學一些知識。

3. 保護狀況:即C1短路情況。這時AC的大電流會直接加在電路上,
若使用100mA保險絲,這時保險絲應會即刻燒毀,後面的Zener,LED, 電解電容有可能可以保存完好。
若使用1A保險絲,這時保險絲應會燒毀,但需時間較久,後面的Zener,LED, 電解電容應該會一起損壞。電解電容有可能會因電流過大放鞭炮。
若使用100歐姆電阻,這時電阻應該會燒毀,需時間也較久,所以後面的Zener,LED, 電解電容應該也會一起損壞。但因為電阻限流在約1A,電解電容可能只會大肚子而已。

電路效率:

若沒有電阻功耗,所以除了橋整壓降損失的功耗外,幾乎所有的功都能直接轉移到LED上,所以這個電路除了PF很低外,應該可以有很高的轉換效率才對。尤其是LED數多時,橋整的影響就相對的變很小,效率更高,應該是90%以上沒有問題才對。不過沒有專門儀器,無法正確測量。不知道有沒有站上的大大有機會可以幫忙確認。

應用說明:

這電路是先依要限流的電流來計算C1值。如果要使用5個LED,限流20mA。那計算方式就是,
AC峰值電壓,110*1.414 = 155v
AC平均電壓,155*0.636 = 99v
5個LED在20mA的電壓,5*3.25 = 16.25v
限流20mA所需的容抗,(99-2(全橋的)-16.25)/0.02 = 4038歐姆
用2*pi*F*C容抗反算回來的電容應該是約 0.65uF,取接近的 0.68uF

再來算C2,
如果要使LED電流變動控制在+/-5mA內,則每個LED電壓變動要小於0.25v。所以,
5個LED,可容許每一週期電壓變動是 5x0.25 = 1.25v
C2在每一充電週期電壓要充電小於1.25v,也就是 155*C1/(C1+C2) < 1.25v,所以用 C1=0.68uF 換算回來,C2 = 155*0.68/1.25-0.68 = 84uF,要取這以上的值,所以 100uF 應該就OK。

Zener電壓要取比總LED電壓高,所以,
5個LED,取 5*4 約 20v 以上,
C2的耐壓也要取比Zener電壓稍高才行,大約是 25v 吧。

實作驗證:

在沒屋頂上買了幾個超便宜的E12 3LED燈,像這樣,

 
一般來說這種多開關幾次就會燒掉,拆來看看,


限流電容是0.33uF,也就是限流只有約11mA,


原電路有加上一個2.2uF的濾波電容並在LED上,在AC兩端還各串了180歐姆跟0.5歐姆的限流跟保護電阻。

把這些都改掉。我不要太亮,只要一個LED就好,電流也維持11mA就好,不用太亮。把電容換成6.3v 470uF,電阻都去掉。再加上手上有的5.1v Zener,改造完成,





這個單LED小燈的功率應該是
(3.2v+2v)*11mA = 57mW ~= 0.06W
這樣夠低了吧,即使連續給它開一整年,也只有
0.06*24*365 = 0.526KWH, 也就是只有半度電啦。

再來實際上電連續給它快速開關個幾十次,結果是......
.....
.....
當然是頭好壯壯,沒問題啦!

這下可以把家裡全部的2W, 5W的小燈全改成LED,不用怕切來切去壞掉了。

希望大家改造愉快,也歡迎各位高手對這電路有任何錯誤或改進建議,請不吝批評指教囉!

最後不免俗的警語一下,交流市電是有危險性的喔,沒有適當的安全措施跟專業知識,請勿自行隨意實驗喔。今天新聞才剛看到有人觸電致死喔,請大家一定要小心。