专利名称：交流led照明灯电容变压短路保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明技术，属电子照明技术之LED照明技术领域。
背景技术：
LED是一种效率高、光质好、能耗小、寿命长、可靠耐用、安全环保的新型光源，在照明领域取代光电效率极低的和白炽灯和污染环境的荧光灯(含汞元素及高频电磁污染)已是大势所趋。由于LED为低压直流器件(白光LED单体额定电压一般为3 3. 5伏)，采用交流220伏供电需要通过交直流变换且输出电压与负载适配的驱动电路。目前交流LED灯的驱动电路的方案和类型主要有I、等压整流方案将交流电直接加到整流电路的输入端进行整流。它不存在电压变换损耗，但它要求负载工作电压必须与之匹配。举例说，220伏交流电直接整流后得到约300伏的直流电，经过稳压恒流电路，与之适配的串联白光LED单体为85 95个，这给负载大小的自由选定带来不便，无法满足产品规格多样化的要求。2、降压整流方案先降低交流电的电压，再加到整流电路进行整流。主要有变压器类型和阻容降压类型。变压器类型存在较大的电压变换损耗，如用铁芯变压器降压后再整流，效率很低。虽然它能满足各种负载工作电压的要求，但带来了电能损耗大、器件体积大、重量大、发热严重等问题。这种类型难以在LED节能灯中采用。阻容降压类型是在交流电的输入端串联一个电容(同时并联一只泄放电阻)，以降低整流电路输入端的交流电压来达到降压的目的。优点是简单、造价低；缺点是阻容降压电路的功率因数很低，阻容压降越大电路的功率因数越低。例如用阻容降压电路驱动1.5W的LED灯，功率因数仅为O. 30左右，视在功率接近或超过5W，与荧光灯相比价格高不说，节能方面亦无优势。3、开关电源驱动方案这类驱动电路是目前市场上的主流产品，它们可以实现较高的效率，但技术较复杂(一般包括整流、转换、脉宽调制、变压、再整流过程)，电路元件多、造价高。由于LED开关电源必须小型化，这样在开关频率上必然追求高了还要更高的频率，使电路产生不可忽视的谐波，造成对电网和空间环境的电磁污染。另外，目前这类LED驱动依循开关电源的技术特点，普遍都是大电流、低压输出类型，它们相对适合驱动由IW以上的LED大功率单体组成的发光模块。由于LED大功率单体的发热集中，为了避免灯壳内高温造成LED光衰加剧影响使用寿命，又不得不采用金属模块和金属灯壳散热。这样，一盏3 5W的LED照明灯售价高居40 70元就不足为奇了，而40 70元却是一盏15W紧凑型荧光灯3年左右的电费。另外，大量生产金属灯壳的LED灯，将大幅增加金属(主要是铝)和能源的消耗，使得LED灯的推广普及变得艰难、复杂。针对上述问题，本案第一发明人开发研制出了交流220伏LED照明灯电容变压电路，并于2009年11月23日申报实用新型专利(申请号200920273526. 1，已公告授权)，该电路采用电容组合作为电压与电流转换的中介载体，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现电压变换，按负载工作电压要求确定电容组合中的电容数目N，按负载工作电流要求确定电容的容量，将电容与若干晶体二极管连接成能在整流器件输出相对高电压时被串联充电、整流器件输出相对低电压时各电容能并联放电的电路结构，并以晶体三极管作为电容组合的串联/并联变换开关，以整流输出的脉动电流为开关同步信号，来高效实现适配于小功率LED发光模块的电压调节。样品试用表明，它是一个高效、简单、价廉的交流220伏LED照明灯驱动电路，但是尚不具有短路保护功能，不能达到于2010年12月I日实施的GB19510. 14《灯的控制装置第14部分LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求》标准，因此需要进行改进与完善。
发明内容本发明为交流LED照明灯电容变压短路保护电路。其创新之处为在原交流220伏LED照明灯电容变压电路的基础上，采用少量的普通无触点小体积元器件实现电路输出端的短路保护功能，并能经过精细的调整使该短路保护电路具备灵 敏的负载过流保护功能。其原理框图见附图1，灯具完整的电气部分有整流、电容变压、短路保护、稳流控制、小功率LED模组五部分组成，本申请仅涉及整流、电容变压、短路保护三个环节。电路的构成方式和原理为电容变压部分置于220伏交流电整流输出端，当脉动直流电(电压)处于波形上升时(高于电容两极电压)，三极管截止，电路向N只串联电容充电，每只电容的充电电压约为电路峰值电压的N分之一；当脉动直流电(电压)处于波形下降时(低于电容两极电压)，三极管导通，N只电容器以并联方式放电，电路输出电压约为电路峰值电压的N分之一，输出电流约为N只电容放电量之和。如此持续循环，电路便实现了电压由高变低的高效率变换。短路保护部分连接在电容变压部分正极输出端，由主辅两级晶体管电路构成(见附图2、附图3、附图4短路保护部分)，主晶体管(采用三极管或场效应管能)为保护动作晶体管，辅晶体管为控制晶体管，主晶体管发射极(或源极)连接一电流取样电阻，当电流小于设定值时，辅三极管截止，由偏置电阻提供主晶体管的偏置电流(电压)，主晶体管饱和导通；当输出短路或是电流大于设定值时，辅三极管导通，引起主晶体管截止，电路关闭。主晶体管采用普通三极管时，电路导通时会形成10伏以上的压降产生一定损耗，将其换为场效应管能明显改善这一状况。其特点是I、选择电容组合中电容的数目N及其电容量从而决定输出电压的高低和电流的大小。在理论上，V2 = V/N(式中V1为整流获得的直流电压平均值、V2为输出的直流电压平均值)；I2 = N G1(式中I1为电容放电的电流平均值、I2为输出的直流电流平均值)；实际电路的输出电压、输出电流需要由实验给出。2、经桥式整流，电容充电放电频率为每秒100次，电路工作在脉动直流和直流状态，无闻频电磁污染；3、电容的充电放电有效地抑制了电网杂波对负载的影响，电路工作状态稳定，便于与稳压控流电路衔接，组成高质量高效率的LDE驱动电路。[0019]4、短路保护不采用继电器等体积大的器件，灵敏可靠；5、电路简单，元器件普通价廉，尤其适于1W、2W、3W、4WLED等台灯、过道灯、装饰灯等性优价廉民用照明灯的制造，使它们成为LED新型绿色节能光源迅速进入寻常百姓家庭的开路产品，具有显著的节能效益、环保效益和经济效益。电路具体连接方式 采用NPN三极管作为电容组合的串联/并联变换开关为本电路的基本类型，电容组合中的电容数目为N(N = 2、或N = 3、或N = 4;取N>4，输出电压低，电路成本和体积增力口，实用性减弱)，在桥式整流器输出的负端正向连接一只三极管基集偏置分压二极管(以下简称分压二极管)，电容组合的第一电容的负端连接分压二极管的正极，第一电容正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，第N电容的负极连接到开关晶体管的集电极、正极连接到整流输出端的正端，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些(个)电容的负极经与电源反向二极管连接在整流输出负端分压二极管的正极上、正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前面电容正极与后面相邻电容负极间连接一只与电源正向的二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻连接在整流输出的正端和负端上，三极管基极与整流输出的负端相连，发射极连接整流输出负端分压二极管的正极，第N电容的正负两极分别为电容变压部分输出的正负两端；短路保护主三极管的集电极与电容变压部分输出的正端相连，同时还连接偏置电阻和辅三极管高电位偏置电阻，主三极管发射极连接电流取样电阻，基极与偏置电阻另一端、辅三极管集电极相连，辅三极管基极与高电位偏置电阻另一端、低电位偏置电阻相连，辅三极管发射极与低电位偏置电阻另一端、电流取样电阻另一端相连，此连接点为电路的正极输出点。当上述电路采用PNP型三极管作为电容组合串联/并联变换开关，因PNP型三极管电源极性正好与NPN型三极管相反，因此电路只须作满足其电源极性的变动。其连接构成方式为在桥式整流器输出端的正极正向连接一只三极管基集偏置分压二极管，第一电容的正极与分压二极管的负极相连，第一电容的负极经放电通路二极管与整流输出的端负极相连，第N电容的正极连接到开关三极管的集电极、负极连接到整流输出端的负端，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些(个)电容的负极经与电源反向二极管连接整流输出负端、正极经过与电源正向二极管连接分压二极管的负极，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前面电容负极与后面相邻电容正极连接一只正向二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻连接在整流输出的正端和负端上，三极管基极与整流输出的正端相连，发射极连接整流输出负端分压二极管的负极，第N电容的正负极分别为电容变压部分输出的正负两端；短路保护主三极管的集电极与电容变压部分正极输出端相连，同时还连接偏置电阻和辅三极管高电位偏置电阻，主三极管发射极连接电流取样电阻，基极与偏置电阻另一端、辅三极管集电极相连，辅三极管基极与高电位偏置电阻另一端、低电位偏置电阻相连，辅三极管发射极与低电位偏置电阻另一端、电流取样电阻另一端相连，此连接点为正极输出点。电容变压电路中三极管基集偏置分压二极管用阻值合适(0.5ΚΩ 30ΚΩ)的电阻替代，电路仍然成立。电容变压电路电容组合中的电容，一般采用电解电容，为了延长电路的使用寿命，可替换成无极性电容，如CBB电容、涤纶电容等。[0025]当电路采用场效应管作为电容组合串联/并联变换开关，按照N沟道场效应管对应NPN三极管、P沟道场效应管对应PNP三极管，和场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。当采用场效应晶体管作为短路保护主晶体管，按照场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。
附图I为交流LED照明灯电容变压短路保护电路原理框图；附图2为交流LED照明灯电容变压短路保护电路电容组合结构示意图；附图3为一例电容组合开关采用PNP三极管、基集偏置分压二极管用电阻替代的交流LED照明灯电容变压短路保护电路原理图；附图4为一例短路保护主晶体管采用N沟道场效应管的2W交流220伏LED照明灯电容变压短路保护电路。
具体实施方式
本发明的原理框图见附图1，具体实施方式
以附图4为例说明。附图4中I为硅整流桥，采用1A/400V ；2为高频滤波电容，采用102/630V ；3为三极管基极信号固定电阻，采用1/4W300KQ ；4为三极管基集偏置分压二极管，采用1N4007 ；5电容组合第一电容，采用2. 2μ F/400V电解电容；6为第一电容放电通路高电位二极管，采用1Ν4007 ；7为电容组合第二电容与第一电容充电通路二极管，采用1Ν4007 ；8为电容变压开关三极管，采用MPSA42 ；9为电容组合第二电容，采用2. 2yF/400V电解电容；10短路保护辅三极管高电位偏置电阻，1/4W240KQ ；11短路保护场效应晶体管偏置电阻，1/4W300K Ω ；12短路保护场效应晶体管(短路保护主晶体管)，采用IRF710 ；13为短路保护电流取样电阻，采用1/2W200Q ；14短路保护辅三极管，采用MPSA42 ；15短路保护辅三极管低电位偏置电阻，采用1/4W650 Ω。电路工作原理如下220伏50赫兹正弦交流电加至硅整流桥(I)的输入端进行整流，在输出端形成300伏左右(220伏市电的峰值为318伏)每秒100次的脉动直流。当脉动直流电(电压)处于波形上升时〔高于电容(5、9)两极电压〕，三极管(8)因基极电位低于发射极电位处于截止状态，电路向两只串联电容器充电(电流从整流电路输出端正极一第二电容(9)—第二电容与第一电容充电通道二极管(7)—第一电容(5)—三极管基集偏置分压二极管(4)—整流电路输出端负极)，每只电容的充电电压约为电路峰值电压的二分之一；当脉动直流电(电压)处于波形下降时(低于电容器两极电压)，三极管⑶因基极电位高于发射极电位处于导通状态，电容(9)放电，电容(5)经放电通路高电位二极管(6)也同时放电，电路输出电压约为电路峰值电压的二分之一，输出电流约为两只电容放电量之和。如此持续循环，电路便实现了电压由高变低的高效率变换。短路保护部分连接在电容变压部分正极输出端，当电流小于设定值时，电流取样电阻(13)上的压降不足以使辅三极管(14)导通，由偏置电阻(11)提供场效应管(12)栅极的偏置电压，场效应管饱和导通；当输出端短路或电流大于设定值时，电流取样电阻(13)上的压降使辅三极管(14)导通，场效应管(12)失去栅极偏置电压，在源极与漏极间形成很 高的阻抗，将电路关闭，从而实现短路(包括负载过流)保护功能。在该电路后加上一级稳流控制电路，能够稳定并高效地驱动由36 38只小功率LED单体(贴片或直插式)串联的发光模组，构成一只价廉实用的2W LED照明灯(指电气部分)。
权利要求1.交流LED照明灯电容变压短路保护电路，其特征是，确定电容组合中的电容数目N，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现电压变换，并连接有主辅晶体管构成短路保护电路，采用NPN三极管作为电容组合的串联/并联变换开关为本电路的基本类型，电容组合中的电容数目为N= 2、或N = 3、或N = 4，在桥式整流器输出的负端正向连接一只三极管基集偏置分压二极管，电容组合的第一电容的负端连接分压二极管的正极，第一电容正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，第N电容的负极连接到开关晶体管的集电极、正极连接到整流输出端的正端，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些电容的负极经与电源反向二极管连接在整流输出负端分压二极管的正极上、正极经过与电源反向的二极管连接到整流输出端的正端，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前面电容正极与后面相邻电容负极间连接一只与电源正向的二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻连接在整流输出的正端和负端上，三极管基极与整流输出的负端相连，发射极连接整流输出负端分压二极管的正极，第N电容的正负两极分别为电容变压部分输出的正负两端；短路保护主三极管的集电极与电容变压部分输出的正端相连，同时还连接偏置电阻和辅三极管高电位偏置电阻，主三极管发射极连接电流取样电阻，基极与偏置电阻另一端、辅三极管集电极相连，辅三极管基极与高电位偏置电阻另一端、低电位偏置电阻相连，辅三极管发射极与低电位偏置电阻另一端、电流取样电阻另一端相连，此连接点为电路的正极输出点。
2.根据权利要求I所述的交流LED照明灯电容变压电路，其特征在于，当采用PNP型三极管作为电容组合串联/并联变换开关，其连接构成方式为在桥式整流器输出端的正极正向连接一只三极管基集偏置分压二极管，第一电容的正极与分压二极管的负极相连，第一电容的负极经放电通路二极管与整流输出的端负极相连，第N电容的正极连接到开关三极管的集电极、负极连接到整流输出端的负端，若电容组合数目N大于2，第一电容、第N电容以外的这些电容的负极经与电源反向二极管连接整流输出负端、正极经过与电源正向二极管连接分压二极管的负极，从而构成并联放电通道；第一电容至第N电容前后电容间，前面电容负极与后面相邻电容正极连接一只正向二极管，从而构成串联充电通道；三极管基极信号固定电阻连接在整流输出的正端和负端上，三极管基极与整流输出的正端相连，发射极连接整流输出负端分压二极管的负极，第N电容的正负极分别为电容变压部分输出的正负两端；短路保护主三极管的集电极与电容变压部分正极输出端相连，同时还连接偏置电阻和辅三极管高电位偏置电阻，主三极管发射极连接电流取样电阻，基极与偏置电阻另一端、辅三极管集电极相连，辅三极管基极与高电位偏置电阻另一端、低电位偏置电阻相连，辅三极管发射极与低电位偏置电阻另一端、电流取样电阻另一端相连，此连接点为正极输出点。
3.根据权利I要求所述的交流LED照明灯电容变压短路保护电路，其特征在于，采用场效应晶体管作为电容组合的串联/并联变换开关，按照N沟道场效应管对应NPN三极管、P沟道场效应管对应PNP三极管，和场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。
4.根据权利要求I所述的交流220伏LED照明灯电容变压短路保护电路，其特征在于，电容变压电路中三极管基集偏置分压二极管能用0. 5KQ 30KQ的电阻替代。
5.根据权利要求I所述的交流LED照明灯电容变压短路保护电路，其特征在于，采用场效应晶体管作为短路保护主晶体管，按照场效应晶体管的栅极对应三极管基极、场效应晶体管的源极对应三极管发射极、场效应晶体管的漏极对应三极管集电极的方式进行连接。
6.根据权利要求I所述的交流LED照 明灯电容变压短路保护电路，其特征在于，所采用的电容器件，包括电解电容和无极性电容。
专利摘要交流LED照明灯电容变压短路保护电路，确定电容组合中的电容数目N，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现电压变换，并连接有主辅晶体管构成短路保护电路，采用NPN三极管作为电容组合的串联/并联变换开关为本电路的基本类型，电容组合中的电容数目为N＝2、或N＝3、或N＝4，在桥式整流器输出的负端正向连接一只三极管基集偏置分压二极管，在桥式整流器输出端连接有电容、晶体管组合电路，其中晶体三极管作为电容组合的串联/并联变换开关，以电容组合的串联充电与并联放电的交替进行实现电压变换，并包含有主辅两极晶体管构成短路过流保护部分。该电路性能可靠、造价低廉，尤其适于1W、2W、3W、4WLED等台灯、过道灯、装饰灯等民用照明灯的制造，使它们成为LED迅速进入寻常百姓家庭的开路产品。
文档编号H05B37/02GK202385328SQ201120187670
公开日2012年8月15日 申请日期2011年6月7日 优先权日2011年6月7日
发明者金明生, 阎智广 申请人:浙江闪亮电子科技有限公司