交流發(fā)光二極管燈具頻閃特性研究

孫富康 解建俠 竇 秋 周 春 王 業(yè)

（1.安徽建筑大學(xué)節(jié)能研究院，合肥230022；2.教育部建筑能效控制與評(píng)估工程研究中心，合肥 230022；3.建筑節(jié)能安徽省工程技術(shù)研究中心，合肥230022；4.合肥市第48中學(xué)，合肥 230061）

交流發(fā)光二極管（AC-LED）是一種交流電直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的技術(shù)，與直流發(fā)光二極管（DC-LED）的區(qū)別是：直流發(fā)光二極管需要采用變壓器、整流電路將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源，而交流發(fā)光二極管可以直接由交流電驅(qū)動(dòng)，不需要交直流轉(zhuǎn)換電路。與傳統(tǒng)的直流發(fā)光二極管燈具相比，交流發(fā)光二極管燈具去除了30%～50%的電源損耗，減少了30%～40%的制造成本，電源驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，能更加有效地傳輸和利用電能，抗電子干擾能力更強(qiáng)。

采用4段式恒流驅(qū)動(dòng)芯片BY-V7H04設(shè)計(jì)7 W交流發(fā)光二極管球泡燈具，將其作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，研究燈具的閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度特征及頻閃現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理。

1 交流發(fā)光二極管

2000年，Tamura設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以由100 V交流電壓驅(qū)動(dòng)的LED模組，該模組由697個(gè)直流發(fā)光二極管（DC-LED）組成。2005年，韓國(guó)首爾半導(dǎo)體公司（Seoul Semiconductor Inc）和美國(guó)3N技術(shù)（III-N Technology Inc）公司分別基于反向并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀技術(shù)（MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition）生產(chǎn)出交流發(fā)光二極管芯片（AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode）。2006年，美國(guó)Lynk Labs公司研制了一種基于電容式電流控制（Capacitive Current Control）的交流發(fā)光二極管芯片。2008年，中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)研究院電子與光電研究所設(shè)計(jì)了基于惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的交流發(fā)光二極管芯片。

交流發(fā)光二極管典型電路拓?fù)淙鐖D1所示，其工作電壓、電流特征如圖2所示，其電壓、電流、光通量和光效特征滿足式（1）～式（7）。其中，U(t)為輸入的交流電壓；Um為輸入的交流電壓峰值；VF為交流發(fā)光二極管的正向?qū)妷褐担籘on為交流發(fā)光二極管點(diǎn)亮的時(shí)間；I(t)為交流發(fā)光二極管的工作電流值；Irms為均方根電流；Res為電路中的平衡電阻值；Ф為光通量；ηT為光效。

圖1 交流發(fā)光二極管電路拓?fù)?/p>

圖2 交流發(fā)光二極管工作電壓和電流特征

2 分段線性恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)

交流發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)方案有2種：無橋式驅(qū)動(dòng)和有橋式驅(qū)動(dòng)。分段線性恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Segmented Linear Constant Current Drive）是一種有橋式驅(qū)動(dòng)方案，是通過開關(guān)元件將交流發(fā)光二極管燈串分段點(diǎn)亮，同時(shí)，采用線性控制技術(shù)保證每段電流的波動(dòng)范圍。分段線性恒流驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括整流電路、采樣電路、開關(guān)控制電路、開關(guān)電路和電流控制電路。目前，韓國(guó)Innovision公司生產(chǎn)的DCL2118芯片、杭州杰華特公司生產(chǎn)的JW1690T芯片、深圳明微公司生產(chǎn)的SM2087芯片都是分段恒流驅(qū)動(dòng)芯片。

圖3 分段線性恒流驅(qū)動(dòng)電路框圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

為檢測(cè)交流發(fā)光二極管燈具的閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度參數(shù)，實(shí)驗(yàn)采用杭州遠(yuǎn)方生產(chǎn)的LFA-2000型光源頻閃測(cè)試儀，搭建燈具頻閃特性測(cè)試平臺(tái)，分別獲取燈具閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度的變化數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品燈具為一款8 W交流發(fā)光二極管球泡燈具。該燈具采用分段線性恒流驅(qū)動(dòng)方案，驅(qū)動(dòng)芯片為BY-V7H04。該芯片可負(fù)載2路4段燈串（A、B兩路分別有4個(gè)燈串），并提供電流和熱過載保護(hù)，3種芯片均為負(fù)載的每段燈串設(shè)置對(duì)應(yīng)電流閥值，保證電路的高功率因數(shù)和低諧波失真特性。實(shí)驗(yàn)樣品燈具電路板實(shí)物與電路原理如圖5所示。圖中A、B兩路燈串分別可以負(fù)載4個(gè)燈串，S1、S2、S3、S4分別代表4個(gè)燈串。

圖5 燈具電路板實(shí)物及電路原理圖

3.3 參數(shù)定義

圖6為光源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)照度特征曲線。圖中，Emax、Emax2、Emin和 Eav分別為光源的最大照度值、次大照度值、最小照度值和光照度平均值，T為一個(gè)測(cè)量周期。此外，圖中的A1為大于平均照度的所有照度信號(hào)與平均照度的差值面積總和，A2為小于平均照度的所有照度信號(hào)的面積總和。

圖6 光源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)照度曲線

基于圖 6 及上述描述，閃爍指數(shù)（FI）、波動(dòng)深度（δ）和調(diào)制深度（MD）的定義如式（8）、（9）和（10）。

4 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)過程中，通過人工調(diào)節(jié)燈具的輸入交流電壓模擬4段恒流驅(qū)動(dòng)方案的燈串依次導(dǎo)通（電亮）過程。4個(gè)燈串的導(dǎo)通電壓分別是：第1段（S1）60 V，第2段（S2）90 V，第 3段（S3）130 V，第 4段（S4）170 V。輸入第1段電壓時(shí)，1號(hào)燈串導(dǎo)通；輸入第2段電壓時(shí)，1、2號(hào)燈串導(dǎo)通；輸入第3段電壓時(shí)，1、2、3號(hào)燈串導(dǎo)通；輸入第4段電壓時(shí)，燈串全部導(dǎo)通。

實(shí)驗(yàn)過程中，人工給定的測(cè)試點(diǎn)輸入電壓分別是60 V，80 V，160 V和220 V。實(shí)驗(yàn)獲得的閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燈具閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度和調(diào)制深度測(cè)試結(jié)果

分段恒流驅(qū)動(dòng)模式中，電路所負(fù)載的燈串被分段點(diǎn)亮，如圖7所示。已知，交流輸入電壓的頻率f＝50Hz，通過全橋整流后，單個(gè)周期時(shí)間T＝10 ms。單個(gè)周期中，1號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間段是[1.36,8.64]ms，導(dǎo)通時(shí)間寬度為7.28 ms；2號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間段是[1.36,7.95]ms，導(dǎo)通時(shí)間寬度為5.59 ms；3號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間段是[2.95,7.05]ms，導(dǎo)通時(shí)間寬度為4.1 ms；4號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間段是[3.86,6.14]ms，導(dǎo)通時(shí)間寬度為2.28 ms。由此可知，單個(gè)周期內(nèi)，光源有2.72 ms是完全不被點(diǎn)亮的，且各燈串點(diǎn)亮的時(shí)間段和時(shí)間寬度相異，因而，燈具呈頻閃現(xiàn)象。燈串導(dǎo)通時(shí)間分布如圖8所示，頻閃現(xiàn)象如圖9所示。

圖7 燈串導(dǎo)通電壓與導(dǎo)通時(shí)間示意圖

圖8 燈串導(dǎo)通時(shí)間分布示意圖

圖9 燈具頻閃現(xiàn)象

各燈串導(dǎo)通燈具閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光 照度指標(biāo)隨時(shí)間與輸入電壓變化的特征如圖10所示。

圖10 燈具頻閃特性變化示意圖

5 結(jié) 論

燈具普遍存在頻閃現(xiàn)象。燈具頻閃的程度直接影響人的視覺感受。與其他燈具不同，交流發(fā)光二極管燈具頻閃現(xiàn)象的發(fā)生是由其特有的驅(qū)動(dòng)及工作方式造成的。文章以分段線性恒流驅(qū)動(dòng)的8W交流發(fā)光二極管球泡燈具為實(shí)驗(yàn)樣件，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量燈具的閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度指標(biāo)（見圖10），分析燈具頻閃特征的時(shí)間變化特征及規(guī)律，探討頻閃現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理。實(shí)驗(yàn)研究表明：

1）分段驅(qū)動(dòng)模式是交流發(fā)光二極管燈具發(fā)生頻閃現(xiàn)象的直接原因。接通電源后，燈具中各段燈串被點(diǎn)亮的時(shí)間段和時(shí)間寬度不同，1號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，4號(hào)燈串的導(dǎo)通時(shí)間最短，燈具27.2%的時(shí)間處于熄滅狀態(tài)。

2）單個(gè)周期內(nèi)，燈具的閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度、調(diào)制深度和光照度隨燈串依次點(diǎn)亮的過程（負(fù)載燈串?dāng)?shù)量的變化）而變化，并呈現(xiàn)周期性頻閃特征。當(dāng)燈具中的燈串全部被點(diǎn)亮?xí)r，燈具閃爍指數(shù)、波動(dòng)深度和調(diào)制深度的數(shù)值最低，而光照度平均值最高。

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