淺談LED開路保護(hù)器的防護(hù)效用
高功率LED越來越多地被應(yīng)用于交通燈、發(fā)光看板、街燈、機(jī)場(chǎng)跑道、鐵路道口、醫(yī)療／手術(shù)照明和行車信號(hào)中。它們的使用壽命長(高功率白光LED通常具有35,000到50,000小時(shí)的壽命)，功耗低。但是，LED也會(huì)因雷擊、靜電放電(ESD)導(dǎo)致的過電壓、過熱、甚至是電源反接而造成損壞。
因?yàn)長ED通常串聯(lián)在燈串中，如果燈串中一個(gè)LED因故障開路，串中的所有LED都會(huì)熄滅。LittELfuse提供LED開路保護(hù)器。保護(hù)器可以與燈串中的每個(gè)LED并聯(lián)，它可以旁路發(fā)生開路故障的LED，以保持燈串的其余部分繼續(xù)工作。當(dāng)電路中發(fā)生過電壓并導(dǎo)致燈串中發(fā)生過電流時(shí)，或者在電極接反時(shí)，保護(hù)器同樣會(huì)作用。
當(dāng)一個(gè)LED出現(xiàn)開路故障，LED開路保護(hù)器就會(huì)開始導(dǎo)通，限制其電壓降到1.3V，并保持串聯(lián)中剩余部分繼續(xù)工作。
設(shè)計(jì)人員為了做到這一點(diǎn)，嘗試了許多器件，如齊納二極管、金屬氧化物壓敏電阻和可控矽整流器，但都不及LED開路保護(hù)器，因?yàn)長ED開路保護(hù)器是專為這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。如圖1所示，當(dāng)一個(gè)LED出現(xiàn)開路故障，LED開路保護(hù)器傳感到這一電壓上升，并開始導(dǎo)通，限制其壓降至1.3V左右，以保持燈串的其余部分正常工作。
LED開路保護(hù)器具有不同的特性和額定電壓可選。某些保護(hù)器被設(shè)計(jì)成保護(hù)燈串中的單個(gè)LED；其他的可以允許設(shè)計(jì)人員用一個(gè)單一的器件保護(hù)兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或者五個(gè)LED，以節(jié)約成本。Littelfuse新一代的LED開路保護(hù)器，可以同時(shí)提供ESD保護(hù)。
ESD和雷擊保護(hù)
ESD在組裝或現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)能進(jìn)入到LED燈串中。雷電可以通過兩種方式進(jìn)入到LED燈串：附近的雷擊可能會(huì)在電源中造成瞬變，可以耦合至LED驅(qū)動(dòng)器并進(jìn)入燈串；或者附近的雷擊可能在LED驅(qū)動(dòng)器供電軌上，也可能在接到LED燈串的線路上造成電氣瞬變。
新一代的LED開路保護(hù)器，如Littlefuse PLED 5系列，可以應(yīng)對(duì)在±15kV空氣放電、±8kV接觸放電的ESD事件，以及±40A 5/50 ns的EFT事件(快速脈沖群)。
極性反接保護(hù)
當(dāng)一個(gè)裝有PLED5的LED燈串被反向通上電源時(shí)，所有保護(hù)器都會(huì)開始導(dǎo)通，將這些被保護(hù)的LED上的電流分流以保護(hù)它們不受傷害。在反向電極糾正之后，保護(hù)器會(huì)關(guān)閉，LED正常工作。
LED的調(diào)光可以進(jìn)一步提高LED的節(jié)能效果，而LED的可控硅調(diào)光具有易于實(shí)現(xiàn)和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，下面介紹LED可控硅調(diào)光控制的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用時(shí)需注意的有關(guān)問題。
1、LED市場(chǎng)與技術(shù)進(jìn)展
由于白熾燈的發(fā)光效率低，所以世界各國政府紛紛制定了如圖1所示淘汰白熾燈的時(shí)刻表，而LED的發(fā)光效率高和工作壽命長的一系列優(yōu)點(diǎn)使LED照明得到了廣泛的應(yīng)用，LED的性能和發(fā)光效率不斷提升，LED有關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)展預(yù)測(cè)如表
2 照明調(diào)光
調(diào)光具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，照明調(diào)光在應(yīng)用中有很好的市場(chǎng)，相對(duì)白熾燈/氣體放電燈，LED的調(diào)光節(jié)能效果更明顯。白熾燈/氣體放電燈調(diào)光工作時(shí)燈的工作效率有明顯下降，而LED調(diào)光的發(fā)光效率會(huì)提高，這主要是由于在低發(fā)光亮度時(shí)通過LED的正向電流較小，在有關(guān)回路電阻成份上的損耗降低的原因。照明調(diào)光不僅節(jié)能，照明調(diào)光還可以改變空間視覺效果，從而影響人的行為模式。
但是，LED調(diào)光電路的設(shè)計(jì)對(duì)LED調(diào)光的性能發(fā)揮有很重要的影響。高性能調(diào)光器受到用戶的歡迎，下面討論LED可控硅調(diào)光的有關(guān)問題。
2.1 LED調(diào)光
LED由于具體很好的演色性、發(fā)光效率、體積小、低工作電壓和工作壽命長的一系列優(yōu)點(diǎn)得到了很好的應(yīng)用，然而，調(diào)光控制標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)LED調(diào)光應(yīng)用的推廣很重要。由于白熾燈的可控硅調(diào)光得到了很好的應(yīng)用，LED調(diào)光應(yīng)和可控硅調(diào)光能很好地配合使用，以利用現(xiàn)有的白熾燈可控硅調(diào)光器。
LED用于替代通用白熾燈照明，LED調(diào)光和LED的發(fā)光顏色、LED的光輸出、LED的發(fā)光效率(調(diào)光曲線)等因素有關(guān);有關(guān)調(diào)光控制方法(例如 0-10V，DALI等有關(guān)控制協(xié)議)、散熱管理、驅(qū)動(dòng)方案、拓?fù)浼軜?gòu)和已有的基礎(chǔ)設(shè)施等因素對(duì)LED調(diào)光的工作狀態(tài)和調(diào)光控制性能有很大的影響。
2.2 LED調(diào)光性能
由于人們用慣了白熾燈可控硅調(diào)光器，所以LED調(diào)光器應(yīng)能兼容可控硅調(diào)光器，并應(yīng)考慮以下技術(shù)指標(biāo)：
(1)調(diào)光范圍
調(diào)光范圍常用最大亮度值的百分比表示，例如X%—XX%。在實(shí)用中，隨著燈發(fā)光亮度的降低人眼瞳孔會(huì)放大，這樣人眼接收的光線并不很快隨燈發(fā)光亮度的降低而降低，如表示為最大發(fā)光亮度級(jí)的百分?jǐn)?shù)，則人眼接收的光是測(cè)得光百分?jǐn)?shù)的均方根值。例如，測(cè)得調(diào)光電平為最大發(fā)光值的10%，則人眼接收的光為的最大發(fā)光值，即所謂的心理物理學(xué)定律。
(2)在整個(gè)調(diào)光范圍應(yīng)平滑調(diào)光變化。
(3)燈在最低調(diào)光電平時(shí)啟動(dòng)燈發(fā)光應(yīng)很快達(dá)到預(yù)定的發(fā)光值。
(4)達(dá)到預(yù)定的調(diào)光電平后LED燈發(fā)光應(yīng)穩(wěn)定，不應(yīng)有發(fā)光閃爍現(xiàn)象。
(5)在整個(gè)調(diào)光范圍內(nèi)，LED燈、LED驅(qū)動(dòng)電源和調(diào)光控制器不應(yīng)有可聞噪聲。
(6)運(yùn)動(dòng)控制/有無人檢測(cè)/光電檢測(cè)等部件能控制LED燈的工作。
2.3 工作可靠性
調(diào)光對(duì)大部分光源而言，可以延長其使用壽命，因?yàn)樵诘桶l(fā)光亮度下燈的功耗和發(fā)熱降低了，有利于提高光源的使用壽命。
溫度對(duì)電子元器件的壽命有重要的影響，低溫對(duì)延長電子元器件的壽命有幫助，LED燈為燈和電子元器件的一體的燈，所以整體燈的壽命受壽命最短的電子元器件的壽命制約，調(diào)光有利于降低LED燈的溫度，有利于LED燈的光通量維持率和延長LED燈的使用壽命。
3 相控調(diào)光
相控調(diào)光最早用于白熾燈調(diào)光，相控調(diào)光的主要優(yōu)點(diǎn)是使用、安裝方便。LED相控調(diào)光的頻率應(yīng)不低于100Hz，以避免人眼感到發(fā)光閃爍，相控導(dǎo)通角越大則LED的發(fā)光亮度越大，相控半導(dǎo)體器件可用可控硅、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或有關(guān)半導(dǎo)體器件。
由于現(xiàn)有的調(diào)光器被設(shè)計(jì)用于白熾燈(近似電阻負(fù)載，功率大多在20W和50W之間)，因此需要一些額外的電路才能允許它們用于LED照明系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上還沒有白熾燈調(diào)光器標(biāo)準(zhǔn)，因此目前市場(chǎng)上有大量不同性能和參數(shù)值的調(diào)光器。
3.1 前沿相控調(diào)光
前沿相控調(diào)光(前相調(diào)光)由于電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單所以得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)器件常用可控硅，通過控制可控硅的導(dǎo)通角來控制輸出的交流電有效值，從而達(dá)到調(diào)光控制，典型可控硅前沿相控調(diào)光電路原理圖如圖2所示。在圖2中，可調(diào)電阻VR4和電容C23構(gòu)成移相電路。當(dāng)C23兩端的電壓達(dá)到或超過DIAC(DB3) 的擊穿電壓時(shí)，C23電荷通過DB3部分注入雙向可控硅T2，雙向可控硅T2被觸發(fā)導(dǎo)通。
雙向可控硅T2的最低門觸發(fā)電流(IGT)使雙向晶閘管導(dǎo)通。它還要求有一個(gè)最低的維持電流來維持雙向可控硅的導(dǎo)通，當(dāng)電流低于維持電流時(shí)，雙向可控硅T2被關(guān)閉。可控硅前沿相控調(diào)光調(diào)光波形圖如圖3所示，前沿相控調(diào)光常用于白熾燈和鹵鎢燈調(diào)光的應(yīng)用場(chǎng)合，由于在低調(diào)光亮度時(shí)通過可控硅的電流減小，如調(diào)光亮度很低，通過可控硅的電流低于可控硅的維持導(dǎo)通電流時(shí)就不能再調(diào)光，否則可控硅關(guān)斷，這對(duì)低調(diào)光亮度LED調(diào)光可能是個(gè)問題。
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