冰箱用LED照明燈的設計分析

1 引言

LED是發光二極體（Light Emitting Diode）的英文縮寫，通常也稱發光二極管，是一種可以直接把電能轉化為光的固態半導體元件。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流借助導線這種載體將電子傳送到晶片的時候，電子向P區移動，在此處電子跟空穴復合，通過這種作用就能發出可見光，這就是LED發光二極管的發光原理。

LED燈的P-N結材料決定光的波長，從而呈現出不同的顏色。如圖1所示。

2 LED照明燈在冰箱上的設計分析

LED以其壽命長、高效、節能、環保、體積小、亮度高等特點，已經廣泛用于到各行各業中，比如用于LED顯示、指示燈、照明等，冰箱行業也為了給用戶提供更可靠、更節能的冰箱，LED也大量的用到冰箱產品上，比如替代冰箱照明的傳統燈泡。從節能上看，冰箱上的傳統的燈泡為白熾燈，功率為15W左右，而用LED燈組合，功率不到大于1W，就可以達到同樣的照明效果，僅此一項的耗電量就大大減少；LED燈是一種無毒無害的材料，可以循環利用，不對外部環境造成污染；它體積也遠小于普通燈泡，利于節省箱體內部空間，其不同的組合更是可以令感官設計新穎別致；而且LED燈的壽命可以長達數萬小時，遠遠優于普通燈泡，減少用戶的維修成本；其封裝結構，遠比普通燈泡堅固耐用，方便運輸；而其冷發光技術，發熱量比普通照明燈具低很多，即使是長時間使用，也不會影響食物的溫度。

LED的驅動電路為LED燈提供穩定、可靠的電源，目前，將交流220V市電轉換為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波、開關電源降壓后再整流濾波或電容降壓式后再整流濾波的驅動方式。變壓器是一種阻抗器件，能夠改變交流電壓和電流大小，當交流電流通過初級線圈時，線圈中包裹的鐵芯（一般為硅鋼片）就會有交流磁通產生（電生磁），依據電磁感應定律，次級線圈中就會有電壓（或電流）產生（磁生電），由于初級和次級線圈中匝數不同，從而使電壓發生改變，然后通過整流和濾波電路給LED燈提供驅動，變壓器降壓具有變壓穩定、功耗大、體積大、成本高等特點；開關電源是一種電子開關元件（比如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過電子開關元件頻繁的“打開”和“關閉”，對輸入電壓進行脈沖寬度調制，來實現AC/DC以及DC/DC的電壓轉換，同時輸出電壓也能根據需要進行調節，還能保持較穩定的電壓，開關電源具有高可靠性、低噪聲、體積小、成本高等特點；阻容降壓是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流，然后通過整流和濾波電路給LED燈提供驅動，阻容降壓具有變壓穩定性較差，驅動負載功率小、功耗小、占用體積小、成本低特點。而冰箱照明系統功率小、成本要求高、設計體積受限，因此最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。

為了達到同普通照明燈泡一樣的照明效果，單一的LED燈亮度無法滿足設計要求，需要通過幾個LED單燈的組合才能替代傳統的燈泡，進一步提高產品設計的通用性。

在冰箱中LED燈的設計時可以考慮兩種方案，即LED燈串聯和LED燈并聯。

LED燈并聯電路是在每個燈兩端施加同樣大小的較低電壓，但要考慮如何保證每個LED燈的亮度基本一致，所以就要求增加鎮流電阻或穩定的電流，從而使每個LED的亮度基本保持一致。若每個LED燈中流過的電流大小不同，那么每個LED燈的亮度就會存在誤差，這樣LED燈的實用性和美觀性大大降低。而串聯接法中每個LED燈都是通過同一條線路來工作的，電流就能保持一致，缺點是電源電壓高，但降低了電路的電流。LED燈并聯電路中，總電流是通過各個LED燈的電流之和，因此在設計電路時需要考慮大電流設計。另外，在串聯電路的設計中，如果其中一支LED燈斷路，所有的LED燈都不亮，但是如果其中一支LED燈短路時，其余的LED燈繼續工作。在并聯電路的設計中，如果其中一支LED斷路時，其余的LED燈繼續工作，但如果其中一支LED燈短路時，電源電路也將被短路，從而導致整個電路都不能正常工作，同時可能造成電路燒毀。通過以上分析，對于LED燈照明采用串聯電路較有優勢。另外也可以通過先串聯再并聯的方式形成LED陣列（即用少量LED燈串聯后再串聯上穩定電流的電阻，然后再將幾組串聯支路并聯），這種方式就克服或減少了當其中一只LED燈斷路或短路時，整個LED燈不亮或電路燒毀的問題。下面分別對采用串聯或并聯的LED燈照明電路進行設計試驗。

首先選擇的是并聯電路（如圖2），其中C1和R1組成阻容降壓電路，D1-D4進行整流電路。這樣設計的出發點是考慮其中某個LED燈損壞時，還能保證基本的照明使用。然后來試驗設計的可靠性。

通過一段時間試驗發現并聯電路存在電流沖擊的缺陷，電流沖擊容易造成單個的LED燈的損壞,每個LED的亮度一致。而理論上LED燈單個損壞的可能性小，通過LED燈和普通燈泡的的壽命對比試驗，也是顯而易見的。而造成這個問題是由于每個LED燈在實際應用中存在電流偏值誤差。如果需要改進，則需要在電路系統中增加限制電流的電阻或者提供穩定的電流來使每個LED燈都具有基本一致的電流通過，但通過這種改進增加了成本，不符合簡單、安全、成本低的要求。

重新選擇LED燈串聯的方式（如圖3），由于串聯接法中每個LED燈都是通過同一條線路來工作的，電壓電阻固定，那么通過LED燈電流就基本保持一致，缺點是電源電壓高，但降低了產品的電流。為了滿足電源電壓的要求，提高產品工作的可靠性，將阻容降壓電路中的電容C1更改為334J/630VAC。

通過測試分析發現電路板上的R2（120Ω 1W）電阻耐壓不夠，容易造成電阻R2擊穿。為解決R2擊穿問題，將R2（120Ω 1W）電阻改為兩個電阻R2和R4（62Ω 1W）的串聯方式，通過兩個電阻的分壓來解決這一問題（如圖4）。電路設計的可靠性。（如圖5）

圖1 LED燈株

圖2 并聯電路

圖3 LED燈串聯

通過以上的一系列的電路設計，使220V的LED燈組件的耐壓提高到630V，耐電流沖擊提高到30mA（實際使用不到10mA），基本滿足城市、農村電壓電流波動需要。

在LED板工藝設計方面，由于組件的面積較小，增大爬電距離，在強弱電間開槽以增加其電器間隙。防止元器件之間打火從而形成安全隱患。

在生產加工時要調整元件的焊盤大小，使上錫效果更飽滿，去除虛焊，保證可靠連接。

同時要做好靜電防護，以防徒手接觸LED燈的管腳，使其被靜電擊穿損壞。

在產品使用上，LED燈的設計要符合電磁兼容的要求。

圖4 兩個電阻的分壓

圖5 增加壓敏電阻器

3 小結

通過測試分析發現，仍存在整個電路發生擊穿的問題，分析發現由于存在瞬態過電壓，在電路中增加壓敏電阻器，可以解決此問題。這種隨機瞬態的浪涌電壓，其沖擊電流電壓峰值可能很大，壓敏電阻在電路中起到保護作用，提高了

通過以上電路設計的改進、優化以及生產中的質量控制，保證了LED燈在冰箱中應用的安全、可靠、美觀、大方。目前LED燈的價格是高于傳統燈泡的，隨著它的大量應用，其價格勢必會下降。但要把握原材料及各個關鍵的工序的質量，才能使LED燈照替代傳統照明燈泡發揮出其優勢。