地鐵車輛中電容元件對負載性能的影響

王詩遠 蔣巧

摘 要：文章在簡述客室LED燈燈帶故障原因及解決方案的基礎上，分析了LED燈工作原理和電路結構，并且更進一步的研究和分析了線路中電容元件對于負載性能的影響。

關鍵詞：LED燈;電容;負載性能

曾出現如下故障：將照明供電模塊接入一外接低壓直流電源（額定參數110V、10A，電壓可調節，最大允許電流10A）。結果，電源為客室內部照明供電模塊供電時，客室LED燈出現閃爍現象。在檢查了供電模塊工作狀態后，排除了供電模塊故障的可能。隨后查看外接電源狀態時，發現電源電壓顯著降低，電流明顯增大。在為該車更換了參數為110V、30A的直流穩壓電源，將最大供電功率提升到了3倍后，客室LED燈可正常工作。

本文針對該故障，從電路組成、元件性能的角度分析了其原因及解決方案。

1 LED燈工作原理

1.1 LED燈結構

LED燈的主體即一個半導體晶片，一端是負極，另一端連接電源的正極，它們之間形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，即燈珠點亮。

1.2 LED燈驅動電路

LED電路具有3個核心組成部分：LED燈珠、驅動電源、散熱器及結構件。其中的驅動電路大部分都采用了輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路。為了將輸出電壓限定在允許范圍內，同時也為了保持輸出電流的平滑，這兩種濾波電路中都使用了大容量電容。

2 電容對于負載電路的作用

鑒于對LED燈電路結構的探究，可判斷出問題出自驅動電路。作為無源元件的電容，在電路中的作用主要如下：

2.1 濾波

由于電容的兩端電壓不會發生突變，那么當電路交流成分處于由谷值進入峰值的狀態時，電容就會吸收溢出的電能，降低線路電壓;當電路交流成分處于由峰值進入谷值的狀態時，電容就會補充不足的電能，提升線路電壓。所以，濾波就是電容充電，放電的過程。

2.2 儲能

儲能型電容器也可通過整流器收集電荷，并將存儲的能量傳送至電源的輸出端。根據不同的電源要求，接線方式也會進行相應的更改。常見的電容器包括：電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000uF之間的鋁電解電容器以及用于高功率設備的罐形螺旋端子電容器。

3 分析

通過對LED燈結構和電容功能的分析，得出結論：正是因為照明供電回路中LED驅動芯片的電容成分導致了燈光閃爍的現象。在LED燈驅動電路開始通電時，芯片管腳上的電容會有一個快速充電的過程（這個過程的持續時間是200ms），因此會對線路電流造成一個相當大程度的抬升。若電源的功率不足，滿足不了啟動功率的需要（即最大電流比啟動電流要小），那么LED電路就會不斷地進行啟動—關斷—再次啟動—再次關斷這樣一個循環的過程，最終會出現照明閃爍的現象。隨后進行的驗證實驗充分證明了結論的正確性。

4 實驗過程

實驗過程分為3步：

（1）關閉30A的直流電源，設置10A的直流電源電壓為110V，將其接入電路。觀察到客室LED燈閃爍現象。去除其中2個照明供電模塊，只為一半的照明供電時，10A可以正常啟動照明電路。

（2）將30A與10A的電源同時接入電路。先啟動30A電源，設置電壓為110V，客室照明正常點亮，使用鉗形電流計測量電源輸出電流為4.9A;隨后打開10A電源，然后將30A電源關閉，觀察到客室照明仍繼續正常工作。

（3）將金屬水壺改造為小電阻，串入電源輸出端。（示波器只能測量電壓的變化，若想得知電流的狀態，則必須利用純阻性負載的伏安特性，將電流的變化轉變為負載兩端電壓的變化。）單獨使用10A電源啟動照明負載并用示波器測量改造電阻兩端電壓，得到一個震蕩波形。

該實驗充分說明了LED負載的啟動功率與工作功率的關系。在LED負載啟動的瞬間，因電容充電儲能，電路的電流會有一個突然增大的現象。由于工作電壓是恒定的，那么啟動功率會遠大于工作功率。如果有一個大功率電源能夠在短時間內滿足啟動功率，讓LED燈進入正常工作狀態，此時將大功率電源換成一個小功率電源依舊可以維持負載正常運作。依照實驗數據判斷，啟動功率是正常工作功率的3到4倍。

5 電源改造方案

通過分析實驗，可確定LED燈故障是因為10A電源不足以負荷啟動功率而造成的。遂提出以下方案。

5.1 10A直流電源線路改造

在LED供電回路兩端并聯一個穩壓二極管，同時電源和照明供電模塊之間串入一限流電阻，電源輸出端并聯一個電容以補充輸出功率，調高外接直流電源的電壓值來增大電源總功率。穩壓二極管與發光二極管反向并聯，起保護作用。一旦發光二極管正向壓降過大，超出了穩壓二極管的擊穿電壓，穩壓二極管就會將發光二極管短路。而限流電阻主要是為了分壓以達到限制線路電流大小的目的。負載功率的增大是因為并聯電容的儲能作用可以補充電能到干路中去，使輸出電流可以更大，以達到提高輸出功率的效果。

5.2 車間配電房24V直流輸出線路改造

車間配電房輸出的24V直流電存在很大的交流諧波成分，經示波器測量電源輸出波動很大，峰值可達到50V，這無疑會燒壞額定輸入為24V的設備。為了得到穩定的輸出波形，可以在直流電源的輸出端并聯一個電容，利用其濾波的作用將線路中的“毛刺”即交流成分轉化為直流輸出。為了增強線路的穩定性并進一步降低輸出端電壓，輸出端還需并聯一個電阻。

6 結論及思考

綜上所述，故障是由于LED燈驅動電路里的電容元件充電，導致外接電源無法滿足啟動功率需求而造成的。因此，相應線路的線纜、斷路器、電源容量的選擇，需要在標稱值的基礎上適當提高。如不能滿足線路設備啟動功率的需求，可參考三相電機進行降壓啟動，即犧牲瞬時功率來保證線路的平穩運行。

參考文獻：

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