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AC 110v 驅動的 (高效率?) 耐開關 LED 燈

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發表於 2013-8-14 21:37:14 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 robotai 於 2013-8-16 09:17 AM 編輯

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,

AC_LED.jpg

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)

AC_LED_Analysis_1.jpg

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,

Vf_Chart_Note.jpg

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,

Voltage_Transfer.jpg

則電壓電流大約會是如下表的方式,

Voltage_Transfer_Table.jpg

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),

Voltage_Spike.jpg

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,

Voltage_Spike_Table.jpg

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

Fuse.jpg

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,

LED.jpg
一般來說這種多開關幾次就會燒掉,拆來看看,

LED_2.JPG
限流電容是0.33uF,也就是限流只有約11mA,

LED_1.JPG
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,

LED_Mod_2.JPG
LED_Mod_1.JPG

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

評分

14

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發表於 2013-8-14 22:00:10 | 顯示全部樓層
理論上是不錯啦,但有考慮到元件短路嗎?
 樓主| 發表於 2013-8-14 22:14:32 | 顯示全部樓層
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。
發表於 2013-8-14 22:30:29 | 顯示全部樓層
利用電容量來限制住瞬間電壓

我應該沒說錯吧
 樓主| 發表於 2013-8-14 22:46:03 | 顯示全部樓層
本帖最後由 robotai 於 2013-8-14 10:48 PM 編輯
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。
發表於 2013-8-14 23:20:59 | 顯示全部樓層
> 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。
 樓主| 發表於 2013-8-14 23:35:09 | 顯示全部樓層
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

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發表於 2013-8-14 23:38:58 | 顯示全部樓層
本帖最後由 scottwang 於 2013-8-15 12:33 AM 編輯

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.
 樓主| 發表於 2013-8-14 23:52:42 | 顯示全部樓層
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。
發表於 2013-8-15 03:03:27 | 顯示全部樓層
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!!

 樓主| 發表於 2013-8-15 22:26:05 | 顯示全部樓層
本帖最後由 robotai 於 2013-8-16 09:18 AM 編輯

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

Fuse.jpg

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。
 樓主| 發表於 2013-8-16 09:43:31 | 顯示全部樓層
本帖最後由 robotai 於 2013-8-16 09:54 AM 編輯
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。
發表於 2013-8-16 16:37:28 | 顯示全部樓層
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] !!

      


 樓主| 發表於 2013-8-16 20:17:15 | 顯示全部樓層
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,

AC_LED_Short.jpg

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?
發表於 2013-8-16 20:49:53 | 顯示全部樓層
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?
 樓主| 發表於 2013-8-16 22:11:22 | 顯示全部樓層
本帖最後由 robotai 於 2013-8-16 10:13 PM 編輯
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。


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