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

 

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。