LED燈電壓特性的研究與應用

李炳華，賈佳，岳云濤，覃劍戈，董青，徐學民

(1.悉地國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學，北京 100044)

LED燈電壓特性的研究與應用

李炳華1，賈佳2，岳云濤2，覃劍戈2，董青1，徐學民1

(1.悉地國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學，北京 100044)

近年來，LED燈以其節能、高效、壽命長等特點被廣泛應用，已開始應用于體育照明。為研究LED燈的電壓特性，對7款LED燈進行了試驗，測試在電壓變化時LED燈的電流諧波畸變率及照度值等的變化情況。通過數據分析可看出，電壓在一定范圍內變化時，LED燈的照度基本不變，對諧波的影響也有限，這種較穩定的電壓特性使得LED燈更適合應用于體育照明。根據分析結果，本文對JGJ 354—2014《體育建筑電氣設計規范》進行了補充。

LED燈；電壓特性；電流諧波畸變率(THDi)；照度；有效電壓范圍

引言

LED即發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件。LED燈有節能、高效、易控、壽命長等優點，已經越來越多的被應用在各種場所的照明中，包括要求非常嚴格的體育場館中[1-6]。由于體育照明比一般照明的要求更高，既需滿足現場比賽照明的需要又需滿足高清電視轉播的需要，因此對燈的穩定性、一致性、眩光、頻閃等的要求更加嚴格，LED的優勢使其成為體育照明領域的新寵。本研究依托于實際工程需要，前期做了大量試驗測得數據，以分析在不同電壓水平下LED的諧波及照度值所受影響，從而為LED照明的設計與應用提供理論依據。

1 LED燈的電壓特性

1.1電壓特性的含義

在實際應用時，由于電網可能出現的不穩定或電力系統某處故障可能引起LED燈的輸入電壓偏離其正常工作的額定電壓，這將會對其電流諧波畸變率THDi、照度值、功率因數(PF)等參數產生影響[7-10]。本試驗旨在研究電壓變化時，THDi及照度等參數的變化范圍及趨勢，對LED燈的電壓特性進行探究。

1.2LED燈電壓特性的試驗

為研究LED燈的電學特性，我們測試了7款主流品牌的LED燈，其基本技術參數見表1。在試驗過程中使用試驗器材和儀表與文獻[2]相同。調壓器在燈具允許電壓范圍內調壓，使用Fluck 435b多功能測試儀測量不同輸入電壓水平下LED燈的電流諧波畸變率、功率因數等，并用照度計測量LED燈的相對照度值，試驗測量儀器和電路原理見圖1和圖2。

表1 被測LED燈基本技術參數

圖1 試驗測量儀器Fig.1 Experimental measuring instruments

圖2 電路原理圖Fig.2 Schematic of circuit

電流諧波畸變率(THDi)是總諧波電流有效值In與基波電流有效值之比。常以百分數表示。電流諧波總畸變率為

式中In為第n次諧波電流有效值，n為大于1的整數，單位：A；I1為基波電流有效值，單位：A。

在以往的金鹵燈電學特性測試試驗中其電路諧波畸變率均不理想，在額定電壓時THDi相對較高。而LED燈有比較寬泛的電壓特性，如表2和圖3所示是此7款LED燈在不同電壓下的THDi數據，并得出如下結論：

1)這7款LED燈在120～240 V的范圍內，THDi處于比較低的水平，均處于15%以下。這個電壓范圍被稱為有效的電壓范圍。每款燈的有效電壓范圍是不同的，WJ和TN的有效電壓范圍相對小些，為120～240 V；PL的有效電壓范圍為100～240 V；其他為100～260 V。

2)高于有效電壓范圍時，諧波可能會大幅度增加，燈的絕緣材料也將經受高電壓的考驗。

3)在有效電壓范圍內，THDi隨著電壓的增加呈現出增加的趨勢。

表2 不同輸入電壓值下LED燈的電流畸變率THDi

圖3 不同輸入電壓值下LED燈的電流畸變率THDi折線圖Fig.3 THDi line chart of LED lamp under different input voltage values

眾所周知，照度是入射在包含該點的面元上的光通量dφ除以該面元面積dA所得之商，單位為勒克斯(lx)，1lx=1 lm/m2。表3和圖4所示是此7款LED燈在不同電壓下的照度值。又因為照度與光通量成正比，所以本試驗通過測量不同電壓下的照度值同樣可以反映出電壓與光通量的特性關系。

圖4 不同輸入電壓值下LED燈的照度折線圖Fig.4 Line chart of illuminance of LED lamp under different input voltage values

從表3和圖4可得：除TN外，其他LED燈在其有效電壓范圍內光輸出相對穩定。

1.3LED燈電壓特性的分析

根據試驗所測得的數據，可以簡要分析LED燈的電壓特性如表4所示。

表3 不同輸入電壓值下LED燈的照度值

表4 7款LED燈THDi與照度值隨電壓升高變化趨勢

注：表中的照度變化率=[(Emax-Emin)/Emax]×100%

由以上分析對比可看出本次測試的7款燈具大多具有良好的電壓特性，輸入電壓在較大范圍內(多款可從100～275 V)能保持照度基本不變，除PL型LED燈外，照度變化率均低于10%。在額定電壓±10%范圍內變化時(即190～242 V)，照度變化率不足2.5%。其中XN型燈具的電壓—照度特性表現最好，調壓范圍較大且照度變化率最小。預測在實際比賽場地等應用場所中，電壓在一定范圍內變化不會對照明的視覺效果產生太大的影響。另外，TN型燈具在電壓由低升高過程中和由高降低過程中表現不同且低電壓范圍模組無法全亮，需后續進一步試驗進行分析。

除個別極端狀態(輸入電源在260 V及以上)外，電壓增加，諧波略有變化，總體呈現上升趨勢。所測產品的最大THDi值均在15%以下，因此這7款燈具在電壓變化時對于諧波的控制表現良好。除TN型LED燈外，其余6款燈具在額定電壓下的THDi值均處于較低水平。

本次試驗還測試了電壓變化時電流和功率因數的變化，可看出各試品隨著電壓的增加電流呈現減小趨勢，功率因數PF相對穩定，表現優秀，均在0.93以上。

2 LED燈電壓特性的應用

現行標準《體育建筑電氣設計規范》(JGJ 354—2014)第3.5.2條規定了比賽場地使用金鹵燈端子處的電壓偏差允許值，其中特級和甲級體育建筑宜為±2%；乙級及以下等級的體育建筑應為±5%。由于金鹵燈的電壓特性欠佳，在電壓偏離額定電壓范圍較大時，照度及諧波所受影響也較大，因此為確保照明效果對電壓偏差允許值要求較高。

通過測試，LED燈在有效電壓范圍內對光輸出的影響可以忽略不計，對諧波的影響也不大。因此，在體育照明中LED燈的電壓偏差允許值不必像金鹵燈的要求一樣嚴格，滿足一般照明對電壓要求即可，即LED燈具端子處的電壓偏差允許值宜為±10%，但同樣應避免燈具端子處電壓過高或過低。

3 結論

研究LED燈的電壓特性對LED燈在實際應用中的供電要求有著重要的意義。通過對7款不同型號的LED燈進行電壓特性試驗，測試了不同電壓水平下電流諧波畸變率THDi、照度值、電流等數據及其變化規律，分析得出在有效電壓范圍內對LED燈光輸出的影響基本可以忽略不計，對諧波影響也較小。相較于金鹵燈的電壓特性有無比的優勢。

[1] 體育建筑電氣設計規范：JGJ 354—2014[S].北京：中國計劃出版社,2014.

[2] 李炳華，覃劍戈，董青，等. LED燈啟動特性的研究與應用[J]. 照明工程學報, 2017，28(4)：126.

[3] 李炳華,董青.體育照明設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社, 2009.

[4] 華楚霞. 大功率LED路燈散熱器的研究與優化[D]. 深圳：廣東工業大學, 2014.

[5] 林若慈, 王飛翔，高雅春.體育場館照明現狀分析及展望[J]. 照明工程學報, 2016，27(2):4-27.

[6] 楊波. LED在體育照明中的應用[J]. 照明工程學報, 2016, 27(4):132-139.

[7] 吳會利, 鄭瑩. 光敏二極管電壓特性研究[J]. 微處理機, 2016, 37(4):16-18.

[8] 王琪. LED 電氣特性測試儀設計與實現[J]. 微處理機, 2015(3):82-85.

[9] 董超. 緊湊型熒光燈在方波電壓及某些非正常供電情況下的特性[J]. 電光源, 1990：31-34.

[10] 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社, 2006.

ResearchandApplicationofVoltageCharacteristicofLEDLamp

LI Binghua1, JIA Jia2, YUE Yuntao2, QIN Jiange2, DONG Qing1, XU Xuemin1
(1.CCDIGROUP，Beijing100044,China; 2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitectureization,Beijing100044,China)

In recent years, LED lamp has been widely used for its energy saving, high efficiency and long-life, especially in sports lighting. In order to study the voltage characteristics,7 different LED lamps were tested to test the current harmonic distortion rate and illumination value of LED lamps under voltage changes. Through the data analysis, we can see that when the voltage changes in a certain range, the illumination of the LED lamp is basically unchanged, and the influence on the harmonic is limited. This stable voltage characteristic makes LED lights more suitable for sports lighting.According to the analysis results, this paper finally makes a supplement to JGJ 354—2014.

LED lamp; voltage characteristic; THDi; illumination; effective voltage range

TM923

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.010