AC 110v 驅動的 (高效率?) 耐開關 LED 燈

robotai

最近想做個LED小夜燈，但找了許多文章或設計，發現幾乎都是同一種用法，
就類似這一篇這樣，
http://bbs.pigoo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=40189
就是使用容阻限流，然後為了保護開關切換產生的瞬間高壓，再前後加電阻來減低脈沖電流，再不然就再使用Zener做過壓保護。可是結果好像還是不能保證耐開關切換，而且加上的保護電阻也降低了電力轉換功效。難怪許多人都說容阻限流的轉換效率不好，不好用，唯一好處只有"便宜"。

另外也找過站內之前的文章，有看到之前Scott大的好文章，有自動明暗的小夜燈。
http://bbs.pigoo.com/forum.php?mod=viewthread&tid=39759
不過這樣的電路還是不能耐開關切換，而且好像功耗上應該還是有問題，因為CDS電阻在全亮及全暗間時，那個電晶體應該會處在不飽和狀態(不完全關閉，也不完全導通)，也就是說電晶體上在耗熱。所以這時LED會點亮，但電晶體上也會有不必要的壓降，所以會有微溫。不過在切斷時，倒是可以完全省電，不會像一般市售的光控LED燈，LED不亮時並沒省電，只是把電力消耗掉而已。

經過尋尋覓覓，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...這...這...，你是在"莊肖維"喔？這跟普通的電路有什麼不一樣？
...別急...別急，請聽我細細道來。

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：

經論壇各位大大指點，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。

後記編輯：
感謝winrar070大指教，應該在AC上串100mA的保險絲會更安全。已更新電路圖。
補上保護機制說明。若使用電阻保護的話，建議可用50歐姆1/16W，或100歐姆1/8W的電阻

winrar070

理論上是不錯啦，但有考慮到元件短路嗎?

robotai

winrar070 發表於 2013-8-14 10:00 PM static/image/common/back.gif
理論上是不錯啦，但有考慮到元件短路嗎?

感謝指教。
目前想得到的，唯一可能造成問題的是C1短路。所以照理說應該在AC上串一個100mA的保險管會更安全。不過因為目前手上沒有，所以還沒有實驗確認過。

專炸元件

利用電容量來限制住瞬間電壓

我應該沒說錯吧

robotai

專炸元件 發表於 2013-8-14 10:30 PM static/image/common/back.gif
利用電容量來限制住瞬間電壓

我應該沒說錯吧

是的。利用串連電容的分壓特性，使大部份的電壓放在C1上，保護C2及LED上的電壓不至瞬間變動過大。
同時由於電壓變動小，C2可以不需耐高壓，只使用耐壓較小的電解電容即可。

me3c

> 在沒屋頂上買了幾個超便宜的E12 3LED燈

請問一下是向哪一家買的？
好棒哦，我也要買來替換家裡的神明燈。

robotai

me3c 發表於 2013-8-14 11:20 PM static/image/common/back.gif
> 在沒屋頂上買了幾個超便宜的E12 3LED燈

請問一下是向哪一家買的？

沒屋頂上找"LED 神明燈"，最便宜的18元那家就是了。
不過那家只有白光，雖然標5LED但只有3LED，不過我買一個他是給我一小盒兩顆(所以變6LED了:sam05)，另外那燈原本是給220v用的，所以插在110v上只有11mA而已。
因為我是要自己改成單LED暖白光的，所以這些我都不在意。您有興趣的話就自行考慮囉，祝你成功。:sam39

scottwang

類似這樣的電路網路上很多,但是沒有加電阻是危險的,不管是加在AC輸入端,或者是整流輸出端,有加都比沒有加更好,尤其當C1因故障而短路時,有自己的想法是很好,但是再想想自己真的有比全世界那麼多人聰明嗎,為何別人都要加電阻呢?

小電路優點是方便,零件少,但是難以做太多的保護,想做保護那零件就會變多,另外的問題是當零件燒燬是有些危險的.

無變壓器電源.

robotai

scottwang 發表於 2013-8-14 11:38 PM static/image/common/back.gif
類似這樣的電路網路上很多,但是沒有加電阻是危險的,不管是加在AC輸入端,或者是整流輸出端,有加都比沒有加更 ...

感謝Scott大指教，增加保險機制確實有必要，已依winrar大建議，編輯原文增加保險絲，確保電路使用安全。歡迎繼續批評指教。

A-John

robotai大大注重細節的精神實在令人佩服!!

網路上看到過許多人分享的電路都很攏統、小問題很多...  實在不太能認同...

能看到robotai大大分享這麼精彩的技術性文章，實在令人欣喜!!

robotai

感謝高手們指教，補上保護機制於本文，並摘錄以下，

保護機制：

經論壇各位大大指點，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。

robotai

A-John 發表於 2013-8-15 03:03 AM static/image/common/back.gif
robotai大大注重細節的精神實在令人佩服!!

網路上看到過許多人分享的電路都很攏統、小問題很多...  實在不 ...

感謝支持。

網路上查到的電路，很多其實看來也都很像是抄來抄去(有可能是因為電路簡單啦，所以大家畫出來幾乎都差不多)。當AC-LED電路時，幾乎重點都在C1的選擇，C2都只隨便選選來做普通"濾波"效果而已，所以通常值都不大(有的還串在更前面，所以選用耐壓超過200v的)。如果C2小或沒有C2的話，因為C1的效果，在LED上的電流就會是設計電流的0~157%的漣波。(也就是說，如果設計20mA，那電流就會在約0~31mA間改變)，所以LED容易光衰。而且在開關切換時，瞬間電壓容易燒掉LED。
所以本文的重點其實不在電路不同，而是元件的值差異，
C2不是隨便選選，是要依C1跟LED棵數決定數值，選用使LED上的電壓改變維持在0.12v內，這樣因LED特性，可以保持電流在約5mA間變動。
Zener不需要考慮一定要剛好比總LED的電壓大一些些才行，只需要確保比總LED電壓大，大多少沒有關係，只要確保C2的耐壓比Zener還大就行了。這樣選用手上有限的元件也會更容易。

jeanshyen

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。


這裡有個問題 :  保險絲為何會燒毀 ????

過電流 ??  是誰過電流令保險絲燒毀 ??

[電流] 從何而來 ???



PS . 這裡指的C1 短路 , 應該是直接打穿吧 !!

       電解電容會爆裂 , 是因為超過額定的[電壓] !!

      

robotai

jeanshyen 發表於 2013-8-16 04:37 PM static/image/common/back.gif
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 ...

不是很確定你的問題，不過我試著用這圖說明看看是不是你要問的，



當C1短路時，AC就等於從一頭經過保險絲、橋整，再經過Zener, C2, LED，再從橋整回到另一頭。所以會由圖上1, 2, 3條路線經過，
1. 首先若C2上沒有充電，電流會先對C2充電，如果在C1從0充電到3.2v前保險絲還沒斷。那就會啟動第2條線
2. 第2條線是LED開始導通，一般LED可以耐瞬間電流100mA，所以變成是C2充電電流+LED電流，如果保險絲還沒斷，那接下來很可能LED會燒燬，第2條線就會斷路。
3. 接下來就會充電到Zener的導通電壓，所以第3條線Zener會開始導通。一般1W Zener在5.1v時應該可以常態流過約200mA，瞬間更是數倍的電流。如果這樣保險絲還是沒斷，那接下來一般情況Zener會過流變短路，這樣的話，就變保險絲直接在AC兩端，一定會燒斷。如果不幸Zener是燒斷，變成斷路，那就會再回到第1條線
4. LED跟Zener都燒了，只剩C2，如果保險絲還不斷，那C2就只好一直充電到爆掉。爆掉後就所有通路都斷了，自然就不會再有導通了(不過這樣就變保險絲不保險了:sam59 )。如果不幸爆掉後殘屑還是造成短路，那保險絲就會發揮作用燒斷了。

不知這樣是不是回答你的問題？

winrar070

robotai大，連保險絲的規格書都po出來了
真是專業，其實一般5安培的保險絲
在110Vac短路下，眼睛還沒看到火花就燒斷了
更何況是100MA的保險絲

另外led數量不同，所需要的c2容量應該不同吧
樓主要不要講解一下呢?

robotai

winrar070 發表於 2013-8-16 08:49 PM static/image/common/back.gif
robotai大，連保險絲的規格書都po出來了
真是專業，其實一般5安培的保險絲
在110Vac短路下，眼睛還沒看到火 ...

呵呵！誰叫現在網路資源太豐富，幾乎什麼都找得到。
保險機制的設計就是在確保正常運作的先決條件下，讓不正常的狀況儘快偵測出並處理。用100mA是希望看能不能在C1損壞的情況下，除了確保不會發生危險外(例如短路失火)，最好還能避免其他元件也一起損壞，那就最好了。

C2的計算有說明啊！

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。

因為C1相對來說都較小，所以簡單整合在一起的算法就是，
C2 = 155 x C1 / 0.25 / LED數
只要比這大的值，耐壓比Zener電壓大就可以。