帶發(fā)光二極管按鈕開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的節(jié)能燈掉電閃爍現(xiàn)象研究

周建峰

廈門(mén)市海滄區(qū)人民防空綜合保障中心（福建 廈門(mén) 361026）

0 概述

按鈕開(kāi)關(guān)上帶有用于位置指示的LED發(fā)光二極管方便日常使用，但是該種按鈕開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致熒光燈尤其是節(jié)能燈出現(xiàn)掉電閃爍現(xiàn)象，即將節(jié)能燈的電源關(guān)掉之后，節(jié)能燈仍然會(huì)以一定的頻率閃爍。這種一定頻率的閃爍現(xiàn)象不僅費(fèi)電，還極大地縮短了節(jié)能燈的使用壽命[1]。因此，對(duì)掉電閃爍現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，找出減小或消除帶電閃爍現(xiàn)象的方法具有重要意義。

1 節(jié)能燈的原理及其掉電閃爍現(xiàn)象

1.1 節(jié)能燈原理

日常節(jié)能燈用電子鎮(zhèn)流器啟動(dòng)。選型號(hào)為YDZ38、功率3 W的節(jié)能燈為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。其中，電容C2是電子鎮(zhèn)流器的等效電容，電路中已經(jīng)串入帶指示燈的按鈕開(kāi)關(guān)。

圖1 節(jié)能燈結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 掉電閃爍現(xiàn)象分析

圖1中，輸入電壓Uo值連續(xù)可調(diào)。閉合開(kāi)關(guān)，將Uo值由0 V逐漸上調(diào)，當(dāng)Uo=36.2 V時(shí)，燈管開(kāi)始閃爍，即該鎮(zhèn)流器啟動(dòng)電壓值UCD=36.2 V。

斷開(kāi)開(kāi)關(guān)后，該電路本質(zhì)上是一個(gè)單相半波整流電路。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，將Uo值由0 V往上調(diào)節(jié)，當(dāng)Uo=65.0 V時(shí)燈管開(kāi)始閃爍。隨著Uo值的增加，閃爍的頻率逐漸增加。所得數(shù)據(jù)列表如表1所示。由表1可以預(yù)測(cè)，當(dāng)輸入電壓為日常的220 V時(shí)，閃爍頻率會(huì)更大。

2 改進(jìn)措施

2.1 確定發(fā)光二極管的最小電流值

通過(guò)實(shí)驗(yàn)已知電子鎮(zhèn)流器在AC 36.2 V時(shí)便能啟動(dòng)，因此可考慮加大開(kāi)關(guān)內(nèi)部的阻抗值，降低電子鎮(zhèn)流器的壓降。加大開(kāi)關(guān)內(nèi)部阻抗會(huì)導(dǎo)致發(fā)光二極管的電流值減小，進(jìn)而導(dǎo)致其亮度減小[2-3]。

表1 不同輸入電壓值下燈管閃爍20次的時(shí)間間隔

采用常見(jiàn)的3 mm高亮紅光二極管作為開(kāi)關(guān)指示燈，可以測(cè)出：當(dāng)二極管的電流ID＞0.037 mA時(shí)，在黑暗環(huán)境中，半徑3 m范圍內(nèi)和一定的角度上，其亮度足夠引起視覺(jué)上的反應(yīng)。

2.2 確定開(kāi)關(guān)內(nèi)部阻抗范圍

由上述分析可知，燈管若要不閃爍且指示燈有最起碼的亮度，則在加載正常市電電壓的條件下開(kāi)關(guān)斷口的壓降UAB＞183.8 V，同時(shí)二極管的電流ID＞0.037 mA。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電路是單相正弦電路，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)是單相半波整流電路。拆開(kāi)電子鎮(zhèn)流器發(fā)現(xiàn)，既有感性成分又有容性成分，因此單相正弦與單相半波電路作用在同一個(gè)電子鎮(zhèn)流器上，效果應(yīng)該是不同的。同時(shí)，通過(guò)圖1所示的原理圖也可以知道，兩種形式的波形對(duì)并聯(lián)在燈管兩側(cè)的等效電容，充電、放電過(guò)程不一樣，最終結(jié)果很可能使燈管閃爍的臨界壓降值不同。通過(guò)不斷增加開(kāi)關(guān)內(nèi)的阻抗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燈管的壓降UCD＞52.5 V時(shí)，燈管便開(kāi)始閃爍。由此，可以重新得出開(kāi)關(guān)的壓降區(qū)間和電流區(qū)間：UAB∈[167.5 V,220 V]，ID∈[0.037 mA,∞]。進(jìn)而估算出開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的最大值：Rmax=220/0.037=5.95×106Ω=5 950 kΩ。

3 消除帶電閃爍的方法

3.1 串接電容器增加阻抗

在電路中串1.0×103電容,電路如圖2所示。其中，N表示串1.0×103電容的個(gè)數(shù)，M表示串接的LED個(gè)數(shù)。

圖2 串1.0×103電容電路圖

當(dāng)N=1，M=1時(shí)，開(kāi)關(guān)內(nèi)的阻抗為

電阻的壓降UR=10.00 V，可推測(cè)出流過(guò)二極管的電流ID=0.18 mA，滿足IDmin=0.037 mA的限制，但是燈管每隔18.2 s閃爍一次。

當(dāng)N=2，M=1時(shí)，開(kāi)關(guān)內(nèi)的阻抗為

電阻的壓降UR=7.45 V，可推測(cè)出流過(guò)二極管的電流ID=0.13 mA，滿足IDmin=0.037 mA的限制，并且燈管不再閃爍。

改變電容和LED的個(gè)數(shù)，即改變N、M值，得出的數(shù)據(jù)列表如表2所示。

表2 不同N、M值下電路情況表

表2中有多個(gè)LED，可以通過(guò)優(yōu)化觀察角度的方法彌補(bǔ)亮度的不足或因?yàn)長(zhǎng)ED埋入開(kāi)關(guān)面板而導(dǎo)致的可視范圍的減少。

3.2 串接電阻增加阻抗

在電路中串入兩個(gè)最大阻值為470 kΩ的變阻器R1和R2，電路中的阻抗在最大值時(shí)也不會(huì)超過(guò)Rmax的值。通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電壓U0=220 V,當(dāng)燈管的壓降UCD=52.5 V時(shí)，開(kāi)關(guān)的總阻抗值R=R1+R2+R3=56+469+412=937 kΩ，UAB=165.4 V。可以算出LED的電流ID=UAB/R=164.5/937=0.18 mA，滿足IDmin=0.037 mA的要求。

同樣，可以串接多個(gè)LED在電路中優(yōu)化觀察者的觀察角度。

4 確定改進(jìn)方案

以上幾種方案中，LED的電流值相差不大，方案二即串接電阻增加阻抗的電流較大，方案一即串接電容器增加阻抗的電流較小，LED亮度小。通常來(lái)看，按鈕開(kāi)關(guān)的面板面積有限，內(nèi)部空間也有限。若采用方案二，固然可以有相對(duì)好的亮度，但是大阻值的電阻體積較大，不方便在開(kāi)關(guān)內(nèi)部安裝。方案一中串聯(lián)2個(gè)103電容、1個(gè)高亮3 mm紅光LED是其中最好的選擇。103電容體積很小，流過(guò)LED的電流ID也可以接受。如果再串接3個(gè)同樣的LED來(lái)優(yōu)化觀察角度估計(jì)效果會(huì)更好。而且實(shí)驗(yàn)中采用的高亮LED直徑只有3 mm，開(kāi)關(guān)的面板面積也足夠安裝，只是在成本上稍高。

5 結(jié)論

文章分析了帶指示燈按鈕開(kāi)關(guān)控制下的節(jié)能燈掉電閃爍的現(xiàn)象。通過(guò)分析節(jié)能燈的結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)原理及帶指示燈按鈕開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，建立了電路模型，順利確定了節(jié)能燈會(huì)掉電閃爍以及產(chǎn)生掉電閃爍現(xiàn)象的原因。提出兩種改進(jìn)方案，第一種方案可行，其中在帶指示燈按鈕開(kāi)關(guān)中串聯(lián)2個(gè)103電容經(jīng)過(guò)分析是最好的選擇。