無電解電容線性恒流源的利弊

2012年是LED大規(guī)模進(jìn)入室內(nèi)和家庭照明的第一年，也是民用LED開始的第一年。作為民用產(chǎn)品對(duì)產(chǎn)品的性能、價(jià)格、可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。一方面要求LED的發(fā)光效率不斷提高、價(jià)格不斷降低。另一方面，對(duì)于LED的恒流驅(qū)動(dòng)源也提出了很多要求。在一般人的心目里，LED本身的壽命已經(jīng)是非常高了，但是實(shí)際的壽命卻是非常低，往往是由于電源壽命低而引起。而電源的壽命往往取決于電解電容的壽命。因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為電解電容的壽命是很低的。假如恒流源根本就沒有電解電容，那么它的壽命就一定可以很高了。更何況拿掉電解電容以后功率因數(shù)也就可以得到改善。所以各式各樣的無電解電容的恒流源就吸引很多人的關(guān)注。

一、無電解電容的簡(jiǎn)單方法

去掉電解電容是很容易的事，而且它也是可以工作的。

然而這種電路的壽命更短，因?yàn)樗鼪]有采用恒流的措施所以當(dāng)輸入電壓升高或溫度升高時(shí)，電流就會(huì)很快升高，以致很快就會(huì)燒毀LED。加電阻限流雖然可以解決一些問題，但是其效率只有52%-73%。是完全無法接受的。

所以必須加以恒流，那怕是最簡(jiǎn)單的恒流二極管。

然而這個(gè)電路也是無法工作的。因?yàn)檩斎胧前雮€(gè)正弦波，在低電壓時(shí)LED是不能啟動(dòng)，雖然電壓升高到一定程度時(shí)，它可以恒流，這時(shí)候電流的波形接近一個(gè)矩形波，所以它的功率因數(shù)也不能令人滿意，因?yàn)橹挥挟?dāng)電流波形和電壓波形一樣時(shí)，功率因數(shù)才能等于1。那么能不能開發(fā)出一種電路使得它的電流波形盡可能接近于電壓波形呢?

二、ExClara的EXC100解決方案

美國(guó)硅谷的ExClara公司提出了一種方案可以接近地解決這個(gè)問題。因?yàn)椴捎煤懔鞫O管以后，電流只能是平的，所以也就只能用階梯波來接近正弦波。

這個(gè)看起來很簡(jiǎn)單的事，真要實(shí)現(xiàn)可是一件很復(fù)雜的事。為了得到這樣的電流波形，就必須依次接通具有不同恒流值的LED串。其EXC100芯片具體框圖如圖四所示。

它首先要測(cè)量輸入電壓，等到輸入電壓達(dá)到一定值以后，開始接通第一串恒流于比較低值的LED;到達(dá)更高一些的電壓以后就開始在第一串后面再接上第二串LED并恒流于更高的電流;最后等到電壓更高以后，再接通第三串LED并恒流于更高值的電流。所以它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的。

后來美國(guó)的Supertex公司也開發(fā)了一個(gè)可接通4串LED的CL8801。采用4串以后PF可以達(dá)到0.98，諧波失真也可以小于20%。它的框圖如圖五所示。

其實(shí)這里面還沒有畫出測(cè)量輸入電壓的電路，這個(gè)電路測(cè)量輸入電壓并將其和幾個(gè)設(shè)定好了的四個(gè)值逐一比較，并依次接通開關(guān)1、2、3、4。而這些開關(guān)都必須是耐高壓的MOS管。所以整個(gè)芯片都必須采用高壓工藝來制作。其成本是很高的。EXC100的售價(jià)約為10元人民幣。

臺(tái)灣的AIC公司也做了類似的產(chǎn)品。

還有韓國(guó)、日本等很多公司也都有類似的產(chǎn)品，看來這種產(chǎn)品好像很受歡迎，就是成本比較高。

三、晶豐的BP5801

為了降低成本，最簡(jiǎn)單的辦法就是把內(nèi)部的高壓MOS開關(guān)管拿到外面，用分立元件實(shí)現(xiàn)。晶豐的BP5108就是采用這種方法(圖六)。

在220V時(shí)，當(dāng)整流后電壓升到104.7V時(shí)，第一串40顆LED開始導(dǎo)通(其電壓為134V);當(dāng)電壓再增加34.89V時(shí)，第二串23顆LED開始和第一串LED串聯(lián)并導(dǎo)通(其電壓為76V);當(dāng)電壓再增加25.21V時(shí)，第三串23顆LED再串入并導(dǎo)通(其電壓為76V)，最后三串LED都以30.8mA的最大電流導(dǎo)通(額定電流為20mA)。因?yàn)檫@時(shí)候電流的波形比較接近正弦波，而且和電壓波形同相，所以功率因數(shù)可以高達(dá)0.968，效率也可以有90.6%。

其詳細(xì)的電路圖如圖七所示。圖中前面三個(gè)(兩個(gè)保護(hù)，一個(gè)整流橋)是公有的，一個(gè)電感和一個(gè)電容是為了降低電磁干擾EMI所需的濾波器，因?yàn)檫@個(gè)本來是線性恒流源變成開關(guān)型了。再加上后面11個(gè)電阻，三個(gè)電容和三個(gè)MOS管，一共22個(gè)元器件，而且MOS管需要采用2N60，也是體積大價(jià)錢貴的器件。

四、無電解電容線性恒流源的得失

這種無電解電容線性恒流源值所以要去掉電解電容是因?yàn)閮蓚€(gè)原因：

1.電解電容壽命短其實(shí)這是一般人的誤解。當(dāng)然這種誤解也是從大量的實(shí)例中得到的。其主要原因是中國(guó)市場(chǎng)上充斥著大量的劣質(zhì)電解電容，這些電解電容的確壽命很短。但這并不意味著凡是電解電容其壽命就一定短。

電解電容有兩種，一種是液態(tài)電解質(zhì)的，另一種是固態(tài)電解質(zhì)的。液態(tài)電解電容壽命比較短，那是因?yàn)橐后w會(huì)干枯的原因。所以新的長(zhǎng)壽命電解電容就采用固態(tài)電解質(zhì)。而固態(tài)電解電容的壽命據(jù)稱可以達(dá)到23年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了LED的壽命。但是固態(tài)電解電容的價(jià)錢比較貴。

那么是不是液態(tài)的電解電容就不能做到長(zhǎng)壽命呢?完全不是這樣，業(yè)者都知道日本的紅寶石電解電容的壽命在105℃時(shí)可以達(dá)到10,000小時(shí)，而溫度每降低10度，壽命延長(zhǎng)一倍，在85度的環(huán)境溫度就可以有4萬小時(shí)，在75度就可以有8萬小時(shí)，完全可以滿足LED的需要。而其價(jià)錢也不是貴到不可接受的程度。而最近紅寶石公司更開發(fā)出了壽命更長(zhǎng)一倍的小體積LLE系列的電解電容，其105℃時(shí)的壽命高達(dá)20,000小時(shí)，專門供給小體積球泡燈使用。而且國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有廠家可以生產(chǎn)和紅寶石媲美的液態(tài)電解電容了。

所以電解電容的壽命本來就不是問題。

2.加上電解電容以后功率因數(shù)無法提高

首先讓我們來看一下國(guó)家規(guī)定：根據(jù)中國(guó)室內(nèi)照明LED球泡燈標(biāo)準(zhǔn)的草稿中規(guī)定功率因數(shù)不得低于0.75，但在照明用LED驅(qū)動(dòng)電源通用規(guī)范中規(guī)定<5W，不要求，5W-25W，一級(jí)為>0.85，二級(jí)為>0.7，美國(guó)能源之星對(duì)<5W的球泡燈沒有要求，但對(duì)于>5W的LED燈具要求PF>0.7(ANSIC82.77-2002LM-79-08),03/22/2010。所以5W以下對(duì)功率因數(shù)都是沒有要求的。這里也想說幾句公道話。我們國(guó)家對(duì)15W以下節(jié)能燈的功率因數(shù)沒有要求，而15W以上才有要求。

其實(shí)功率因數(shù)還應(yīng)該要看是容性還是感性的。通常家里和居民區(qū)是以感性為主，因?yàn)楹芏喟咨译娤耠姳?、洗衣機(jī)、空調(diào)里都有馬達(dá)，都是感性負(fù)載;甚至像電視機(jī)、音響等黑色家電里都有變壓器，也是感性負(fù)載。至于日光燈電感鎮(zhèn)流器和節(jié)能燈里的電子鎮(zhèn)流器也都是感性負(fù)載。而電解電容則是容性負(fù)載，二者還可以補(bǔ)償。從這個(gè)觀點(diǎn)來看，對(duì)于采用電解電容的LED燈具，國(guó)家在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不但不應(yīng)該對(duì)功率因數(shù)加以限制，還應(yīng)該加以鼓勵(lì)和獎(jiǎng)勵(lì)才對(duì)。

不管怎樣，因?yàn)長(zhǎng)ED球泡燈主要是用來取代白熾燈。最常用的白熾燈是40W和60W。按照目前LED的發(fā)光效率，5W的LED球泡燈就可以取代40W的白熾燈了。過不了1-2年，5W的球泡燈也可以取代60W的白熾燈，所以對(duì)于LED球泡燈，功率因數(shù)就根本不是問題。更何況即使采用電解電容，只要對(duì)其充電電流加以限制也很容易就能把功率因數(shù)提高到0.7以上。

由此可見，不論是壽命還是功率因數(shù)，采用電解電容都不是問題。

那么像前面那幾種方法去掉電解電容以后有什么問題和缺點(diǎn)呢，有的：

1.無電解電容方案會(huì)帶來發(fā)光的閃爍。我們知道LED只有在有電流流過時(shí)才會(huì)發(fā)光，而從圖三的電流波形圖里可以看出它的發(fā)光是以電源頻率的一倍(橋式整流)而間斷的。在中國(guó)就是100Hz，在美國(guó)就是120Hz。人類可以感受到的最高閃爍頻率是70Hz。這種閃爍，雖然人眼感覺不到，但是不等于對(duì)人類沒有危害。

據(jù)報(bào)道，主要的妨礙就是頭昏，眼睛勞損，而偏頭痛還會(huì)增加中風(fēng)的危險(xiǎn)。

另外這種閃爍也會(huì)帶來閃光效應(yīng)，在攝影時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的多重影像，這在保安攝像機(jī)就有可能丟失重要的畫面。國(guó)內(nèi)使用它們的客戶就反映過這樣的問題。

2.由于LED不是連續(xù)導(dǎo)通的，尤其是第三串只在很短時(shí)間里導(dǎo)通，而導(dǎo)通時(shí)的電流又超過額定值54%以上。這樣工作會(huì)帶來兩個(gè)問題，一個(gè)是LED的利用率不高，會(huì)使整燈的光效降低，作者曾經(jīng)親自測(cè)試了采用同樣發(fā)光效率和同樣數(shù)量的的LED，一個(gè)采用上述的無電解電容恒流源，另一個(gè)采用有電解電容的線性恒流源，其結(jié)果前者的整燈光效要比后者低15%以上(都是在沒有燈罩的情況下用積分球測(cè)試的)。另一個(gè)問題是其最大電流超過額定電流54%，雖然是短時(shí)間，但累計(jì)長(zhǎng)時(shí)間這樣工作，有可能會(huì)降低LED的壽命。因?yàn)長(zhǎng)ED規(guī)定的最大電流只能是比額定電流高16%-25%而已。

3.由于采用了開關(guān)工作，從而使線性恒流源的無電磁干擾的特點(diǎn)喪失殆盡。甚至還要加上電磁干擾濾波器。EXC100的電磁干擾實(shí)測(cè)結(jié)果如圖八所示。圖中藍(lán)色折線為美國(guó)FCCClassB的標(biāo)準(zhǔn)，雖然它的測(cè)試結(jié)果是能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的。但是作為線性恒流源本來是應(yīng)該一點(diǎn)干擾都沒有的，也根本不需要去做測(cè)試，現(xiàn)在還要去做測(cè)試，看是否能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)，這無論如何不能看成是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

另外由于波形失真嚴(yán)重，因而其諧波失真也是比較嚴(yán)重的，如BP5108的諧波就高達(dá)25.6%。

最后，還要提到這種類型驅(qū)動(dòng)電源最后一個(gè)“優(yōu)點(diǎn)”。就是可以和可控硅調(diào)光器連接。因?yàn)榭煽毓枵{(diào)光器要求純阻負(fù)載，而現(xiàn)在這類驅(qū)動(dòng)電源采用那么多措施以后，功率因數(shù)接近1，當(dāng)然可以和可控硅調(diào)光器連接了。那么這個(gè)是不是一個(gè)“優(yōu)點(diǎn)”呢?要知道用了可控硅調(diào)光器以后，整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率都會(huì)變得很差，那么前面費(fèi)了那么大的力氣去提高驅(qū)動(dòng)電源的功率因數(shù)和效率豈不是都是白費(fèi)力氣了嗎?如果真的要進(jìn)行調(diào)光，LED可以用直流或脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光，能夠真正得到高效和節(jié)能地調(diào)光。完全不需要采用幾十年前的可控硅技術(shù)。

五、結(jié)束語

實(shí)際上，LED是一種直流器件，最好是采用直流供電。而電解電容也就是能夠利用它的儲(chǔ)能效應(yīng)來把半個(gè)正弦波變成接近直流的最好手段。只要用上電解電容，那么以上的問題就都不存在。至于功率因數(shù)本來就不是什么問題，我們國(guó)家至今大量應(yīng)用的日光燈和最近大力推廣的節(jié)能燈，都從來沒有提過功率因數(shù)的要求。更何況，容性功率因數(shù)是對(duì)于大量感性功率因數(shù)的最好補(bǔ)償。假如真的還是要求功率因數(shù)要滿足一定值時(shí)，在用電解電容的情況下多加幾個(gè)元件也是可以做到的。

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