2013年9月16日 星期一

AC 110v LED 小夜燈 第二彈 ─ 幫光控小夜燈平反

這是繼上一篇 AC 110v驅動的耐開關LED燈 的延伸,前文在這,
http://robotai-blog.blogspot.tw/2013/08/ac-110v-led.html

上一篇是分析穩壓電容的重要性及選用的值,接下來要分析的是光控小夜燈的電路。
原始的參考電路來自網拍上的DIY線路,先把原始電路轉畫出來如下。
AC_LED_CDS_1.jpg 

一般人看到這電路時,主要有疑問有兩個,
1. Q1的E,C極直接串地,會不會有短路問題?
2. 白天時,CDS電阻低,Q1直接導通,電流都流到Q1去,LED雖然不亮,但這樣那有省電?

一開始我也是覺得白天時那有省電?但在發完前一篇後,有一天突然想到一個重要的原因。
這兩個問題其實都是歸因到同一個,來看一下這兩個電路,



電路一的跟電路二都是使用阻容限流,所以電路一跟電路二都會約流過平均12mA的電流,但是兩個電路的AB點間的電壓有何不同呢?
沒錯,由於相同電流的關係,所以,
電路一的AB間平均電壓為1x12mA=0.012V
電路二的AB間平均電壓為100x12mA=1.2V
這就是那兩個問題的答案,
1. Q1的E,C極直接串地,不會短路而流過大量電流,因為C1的限流能力,永遠只會有平均12mA的電流流過。
2. 在容阻限流電路中,只有阻性的負載才會耗能,所以在Q1導通時,電流雖然還是流過12mA,但AC點間的電壓不是LED點亮時的約10v,而是Q1當時的導通電壓約1~2v而已,所以這時的功率是小於2x12=24mW的,所以確實是會比較省電的。
P.S. 請不要直接實驗上圖這兩個電路喔,上電時的突波時,瞬間電流可不是只有12mA喔。

電路分析:

接下來分析一下這個電路的動作。原電路只使用CDS接在B極,如果S9015以放大率100倍來算,
1. 白天時,CDS電阻可能約2K以下,AC間的電壓為Vac,所以
Ib=(Vac-0.7)/2k,
因為所有電流都由Q1流過,所以Ic=12mA,
Ib放大100倍後為Ic,所以Ib=12/100=0.12mA,
所以Vac=Ibx2k+0.7=0.24+0.7=0.94v,
所以白天時消耗功率約0.94x0.012=0.011W,算是很省電的。

2. 晚上時,CDS電阻如果高到200k,這時LED亮,如果3個LED總壓降算10v的話,
Ib=(10-0.7)/200k=0.0465mA,
Ic=0.0465x100=4.65mA,
所以會有約5mA的電流流到Q1去,浪費5/12=40%的電在Q1上,效率不太好。
實際使用時由於LED會發光,可能使CDS的電阻沒辦法那麼低,故效率會更不好。

電路修改:

由於原電路在LED點亮時,Q1會有不必要的電流的消耗,只要加上一個分流電阻Rb,這樣雖然會使白天時多耗一些些電,但晚上時可以使Q1上的Ib電流為0,效率大幅提昇。
建議修改電路如下,

1. 簡單修改的話,只需要增加Rb電阻3.3k在BE極間。
2. 要穩流跟耐開關的話,再加上220uF/16v電容及12v的Zener。
3. 效率要更高的話,移除原限流電阻,改接50歐姆,1/16W的保護電阻(或100mA的保險絲應該會更好)。

完全修改電路如下,
AC_LED_CDS_Mod_1.jpg 

1. 白天時,CDS電阻2k,
Ic=12mA,
Ib=12/100=0.12mA,
Is=Ir+Ib=0.7/3.3k+0.12=0.33mA
Vac=Isx2k+0.7=1.36v
所以白天耗電約1.36x0.012=0.016W,會比原來高一些些。

2. 晚上時,CDS電阻即使小到50k,
Ir=0.7/3.3k=0.21mA
Is=(10-0.7)/50k=0.186mA
Ir>Is,所以所有的電流都會經由Rb直接流到CDS去,所以Ib=0,所有12mA的電流都會流到LED上,完全不浪費。

實作:

這是好幾年前就做的6 LED小夜燈,連續24小時不間斷用了好幾年(即便之前有加Zener,但開關時的突波還是很容易把LED擊穿,所以在開開關關燒壞掉好幾次LED後,最後決定就再也不關它了,然後就一直沒壞過),前一陣子加大了穩壓電容,終於可以放心開關了。現在再改成光控的,使用上就更省電了,(雖然本來就已經很省電了 ^_^

實測結果
LED不亮時,Q1上的電壓約2v(因為多加了一個二極體),所以總耗電是2x0.012=0.024W
LED亮時,總電壓是19v,所以總耗電是19x0.012=0.23W,Q1完全不浪費電。

後記:
如果有加光罩的話,記得把CDS移到光罩外,不然光罩內的反光會使CDS無法維持在高電阻。

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