浅谈LED开路保护器的防护效用


高功率LED越来越多地被应用于交通灯、发光看板、街灯、机场跑道、铁路道口、医疗/手术照明和行车信号中。它们的使用寿命长(高功率白光LED通常具有35,000到50,000小时的寿命),功耗低。但是,LED也会因雷击、静电放电(ESD)导致的过电压、过热、甚至是电源反接而造成损坏。

因为LED通常串联在灯串中,如果灯串中一个LED因故障开路,串中的所有LED都会熄灭。LittELfuse提供LED开路保护器。保护器可以与灯串中的每个LED并联,它可以旁路发生开路故障的LED,以保持灯串的其余部分继续工作。当电路中发生过电压并导致灯串中发生过电流时,或者在电极接反时,保护器同样会作用。


当一个LED出现开路故障,LED开路保护器就会开始导通,限制其电压降到1.3V,并保持串联中剩余部分继续工作。


设计人员为了做到这一点,尝试了许多器件,如齐纳二极管、金属氧化物压敏电阻和可控矽整流器,但都不及LED开路保护器,因为LED开路保护器是专为这种应用而设计的。如图1所示,当一个LED出现开路故障,LED开路保护器传感到这一电压上升,并开始导通,限制其压降至1.3V左右,以保持灯串的其余部分正常工作。


LED开路保护器具有不同的特性和额定电压可选。某些保护器被设计成保护灯串中的单个LED;其他的可以允许设计人员用一个单一的器件保护两个、三个、四个或者五个LED,以节约成本。Littelfuse新一代的LED开路保护器,可以同时提供ESD保护。


ESD和雷击保护


ESD在组装或现场安装时能进入到LED灯串中。雷电可以通过两种方式进入到LED灯串:附近的雷击可能会在电源中造成瞬变,可以耦合至LED驱动器并进入灯串;或者附近的雷击可能在LED驱动器供电轨上,也可能在接到LED灯串的线路上造成电气瞬变。


新一代的LED开路保护器,如Littlefuse PLED 5系列,可以应对在±15kV空气放电、±8kV接触放电的ESD事件,以及±40A 5/50 ns的EFT事件(快速脉冲群)。


极性反接保护


当一个装有PLED5的LED灯串被反向通上电源时,所有保护器都会开始导通,将这些被保护的LED上的电流分流以保护它们不受伤害。在反向电极纠正之后,保护器会关闭,LED正常工作。

LED的调光可以进一步提高LED的节能效果,而LED的可控硅调光具有易于实现和使用方便等一系列优点,下面介绍LED可控硅调光控制的工作原理、特点和应用时需注意的有关问题。

1、LED市场与技术进展


由于白炽灯的发光效率低,所以世界各国政府纷纷制定了如图1所示淘汰白炽灯的时刻表,而LED的发光效率高和工作寿命长的一系列优点使LED照明得到了广泛的应用,LED的性能和发光效率不断提升,LED有关技术指标进展预测如表

2 照明调光


调光具有节能的优点,照明调光在应用中有很好的市场,相对白炽灯/气体放电灯,LED的调光节能效果更明显。白炽灯/气体放电灯调光工作时灯的工作效率有明显下降,而LED调光的发光效率会提高,这主要是由于在低发光亮度时通过LED的正向电流较小,在有关回路电阻成份上的损耗降低的原因。照明调光不仅节能,照明调光还可以改变空间视觉效果,从而影响人的行为模式。


但是,LED调光电路的设计对LED调光的性能发挥有很重要的影响。高性能调光器受到用户的欢迎,下面讨论LED可控硅调光的有关问题。


2.1 LED调光


LED由于具体很好的演色性、发光效率、体积小、低工作电压和工作寿命长的一系列优点得到了很好的应用,然而,调光控制标准化对LED调光应用的推广很重要。由于白炽灯的可控硅调光得到了很好的应用,LED调光应和可控硅调光能很好地配合使用,以利用现有的白炽灯可控硅调光器。


LED用于替代通用白炽灯照明,LED调光和LED的发光颜色、LED的光输出、LED的发光效率(调光曲线)等因素有关;有关调光控制方法(例如 0-10V,DALI等有关控制协议)、散热管理、驱动方案、拓扑架构和已有的基础设施等因素对LED调光的工作状态和调光控制性能有很大的影响。

 

2.2 LED调光性能


由于人们用惯了白炽灯可控硅调光器,所以LED调光器应能兼容可控硅调光器,并应考虑以下技术指标:


(1)调光范围


调光范围常用最大亮度值的百分比表示,例如X%—XX%。在实用中,随着灯发光亮度的降低人眼瞳孔会放大,这样人眼接收的光线并不很快随灯发光亮度的降低而降低,如表示为最大发光亮度级的百分数,则人眼接收的光是测得光百分数的均方根值。例如,测得调光电平为最大发光值的10%,则人眼接收的光为的最大发光值,即所谓的心理物理学定律。


(2)在整个调光范围应平滑调光变化。


(3)灯在最低调光电平时启动灯发光应很快达到预定的发光值。


(4)达到预定的调光电平后LED灯发光应稳定,不应有发光闪烁现象。


(5)在整个调光范围内,LED灯、LED驱动电源和调光控制器不应有可闻噪声。


(6)运动控制/有无人检测/光电检测等部件能控制LED灯的工作。


2.3 工作可靠性


调光对大部分光源而言,可以延长其使用寿命,因为在低发光亮度下灯的功耗和发热降低了,有利于提高光源的使用寿命。


温度对电子元器件的寿命有重要的影响,低温对延长电子元器件的寿命有帮助,LED灯为灯和电子元器件的一体的灯,所以整体灯的寿命受寿命最短的电子元器件的寿命制约,调光有利于降低LED灯的温度,有利于LED灯的光通量维持率和延长LED灯的使用寿命。


3 相控调光

相控调光最早用于白炽灯调光,相控调光的主要优点是使用、安装方便。LED相控调光的频率应不低于100Hz,以避免人眼感到发光闪烁,相控导通角越大则LED的发光亮度越大,相控半导体器件可用可控硅、场效应晶体管或有关半导体器件。


由于现有的调光器被设计用于白炽灯(近似电阻负载,功率大多在20W和50W之间),因此需要一些额外的电路才能允许它们用于LED照明系统。目前,市场上还没有白炽灯调光器标准,因此目前市场上有大量不同性能和参数值的调光器。


3.1 前沿相控调光

前沿相控调光(前相调光)由于电路实现简单所以得到了广泛的应用,开关器件常用可控硅,通过控制可控硅的导通角来控制输出的交流电有效值,从而达到调光控制,典型可控硅前沿相控调光电路原理图如图2所示。在图2中,可调电阻VR4和电容C23构成移相电路。当C23两端的电压达到或超过DIAC(DB3) 的击穿电压时,C23电荷通过DB3部分注入双向可控硅T2,双向可控硅T2被触发导通。

双向可控硅T2的最低门触发电流(IGT)使双向晶闸管导通。它还要求有一个最低的维持电流来维持双向可控硅的导通,当电流低于维持电流时,双向可控硅T2被关闭。可控硅前沿相控调光调光波形图如图3所示,前沿相控调光常用于白炽灯和卤钨灯调光的应用场合,由于在低调光亮度时通过可控硅的电流减小,如调光亮度很低,通过可控硅的电流低于可控硅的维持导通电流时就不能再调光,否则可控硅关断,这对低调光亮度LED调光可能是个问题。

 

 

 


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