阻容降压+恒流软启，仿真优化+13001实战，杀啥由你定_haoDIY

　　本帖从草帽灯珠开始，但并不仅限于草帽灯珠的应用。

　　早些时候的LED灯多是草帽灯珠，买了不少来用（手机百度输入法卡死在“用”了）。记得有一次是买了5只球泡灯，黄色塑料壳那种，查了下交易记录是2008年的事了。卖家信誓言旦旦地说如何如何好，保用N年，反正我当时是信了。不曾想到手后，没有一个亮过3天的，还只在晚上开灯。过了很久与卖家联系（卖家一般就不在线了），还不错，给发过来一批灯珠让自己更换。这些灯珠还真的不错，偏黄光的，现在还留有一些。由于灯上的灯珠没有全坏的缘故，我提的数量要求就少了些，卖家也就没有发来太多个，自己就又整袋地买回来灯珠备用。这些灯珠就成了我之后进行各种有关LED试验和DIY的原材料，而这些过程就成了这篇贴子的基础之一。

　　由于多年受LED指示灯的影响，一开始对LED灯泡的可靠性很少怀疑，于是买过很多次，给朋友、同事、还有少量的客户。不管是哪一批买的，不管换不换灯珠，都是不断地出故障。于是很多的返修。每个灯有50—60个灯珠，每次都要全检。本是出于好心向别人推荐，没想到从此麻烦不断。此后很久不敢再买LED灯了，处于无修止的循环维修状态，直到大家都不屑于此才有所解脱。

　　那时这样的LED灯的驱动大多是阻容降压的。几次维修后，开始琢磨问题出在哪里。有人说是浪涌，本人也同表怀疑，就给两只灯加过限流，用三极管做了恒流电路，经过一番计算后，设置了最大电流。但是结果令人失望，该坏照坏，没什么效果。当时电路图没有做记录，因为很简单，可能与现在确定的电路大体差不多。

　　接下来采取的措施是换小一档的降压电容，并且采用CBB的，实际有了一定的效果，故障率明显下降。按原来的灯珠品质，一般50珠和60珠的LED串配的电容是0.47uF，功率2W+。换小一档就是0.33uF。电容换小了，亮度相应就低了；即便是50珠用474的电容，计算的电流仍没有超过灯珠的额定电流20mA，这就是厂家选用较大电容的主要原因。

　　下面的数据是刚在办公室做的，有待修正，且未考虑各种电阻的影响，暂供参考：

　　即便把电容换小一档，也仍然经常出故障，大约延长到30天左右吧；经常发现灯珠亮度暗了下来，原来饱满的荧光粉变成了一个坑。且经常是在灯亮期间突然灭掉或忽闪起来，而不只是在开灯的瞬间。

　　若说是浪涌的话，应该是在通电的瞬间，电容冲击电流较大将LED烧坏；再说其他的电器怎么都不怕这浪涌？用示波器观察市电波形，看不出有明显的浪涌，当然总归是没有盯着看。于是再增加滤波电容，就是那个400V的电解电容，并联上一个，同时能改善高频响应。印象中最大用到2个4.7uF，试用结果是有所改善，但继续出故障。

　　一时间，本人想起当年毕业设计的一段情节。一个班的人分成几个不同的项目组，本人的项目是硅杯式压力传感器。本人平时给人留下了某种印象，有几个其他组的MM同学经常找我帮忙，这下可忙坏了。记得一个项目是某元件直流V-I方面的，要求在高压回路中对电路通断和方向做出指示，电流最大约30mA。这有何难！于是用红、绿各1只LED反向并联后串接到回路中，一试工作正常，于是皆大欢喜，人家是深表感谢。刚开始做自己的事，MM就来说不行了，LEDi不亮了！于是赶紧去元件库领，要高亮的，额定电流标的是40mA。换上后，不久又坏了，怀疑是LED质量不好，就又去领。库管说这是好质量的，心疼啊，就不好意思再领了。百思不得其解，时间耗不起，后来就被MM放弃了。

　　扯远了。话说草帽灯珠，额定电流一般是20mA；正向压降比红、绿都高，3.2V了，同样电流下的功率消耗自然就大了，但其结构大致没变，散热确实就是个问题。大家都懂，就不扯散热了。这么一对比，有点明白了：我手中的草帽灯实际应用电流应远离20mA，就是说要降额使用。

　　LED降额使用的实例还是很多的。比如“西普莱X”的LED吸顶顶就主动降额了，同样是用24粒的5730灯珠，别家会说是12W，而这家只说是11W，实测功率甚至还不到11W。本人在网上曾经接触过的一个有关3528贴片灯珠的问题，回答比较长，只看其中最后一段即可：http://zhidao.baidu.com/question/581966843.html?oldq=1。5050灯珠内有3芯，总额定电流是50mA，平均每个约17mA。本人自用的LED灯，一般都要调低电流后再安装使用。指标高了价格就好，商家都知道；留有余量可以提高可靠性，大家都知道。

　　降额使用是一种无奈，也是一个前提。在危险的边缘，再好的电路都难以使灯珠稳定、可靠发挥作用。不过这并不是本帖的主题，暂且说到这里。

　　先来个实例，就从坛友“亚历山大”提到的环形灯串说起吧。我做了一个类似的，安装到了一个吸顶灯内，正在用。这个吸顶灯接了4线3个控制，所以可以有多种亮度及其组合。刚去拍了照片，照相机是自动调整曝光的，所以需要从背景的亮度变化感觉各种状态下灯珠的亮度。照片没做任何修饰，为节约空间，将4张图组合到了一起：

　　刚拿到这个吸顶灯时有点郁闷，因为它的灯板直径偏小了，因此就有了给它加个外环的冲动。圆环的骨架是用双芯铝电线，每公分1粒灯珠，恰好60粒。考虑到灯珠的色温偏冷，于是每5粒采用一粒偏黄的灯珠。做好后感觉偏黄灯珠少了，间隔3粒就更好了。60是个很好的数字，3、4、5、6都能等分的。

　　设计圆环在弱光时，给一般走动照明；在微光时，就相当于一个小夜灯的作用。驱动没有采取复杂的电路，就是简单的阻容降压，是利用废的Philips 9W节能灯的驱动板改造的，全部是这板上面的元件。当时用电力计量插座测量过，弱光和微光两档耗电分别仅1.15W和0.2W，1米处照度分别是145Lux和29Lux。在这样功率下的阻容驱动，没有感觉对灯珠产生不良影响。莫非，电容小一点浪涌就通不过了？估计失效原因是多方面的，本帖暂不做这方面的深入探讨。

　　下面以阻容驱动60粒灯珠为例，进行电路仿真实验，先上个简单的电路图。图中接入了示波器、功率计和多功能测量探针。不熟悉仿真的坛友可能开始会不太适应。仿真结果与实际电路比较接近，各位不必过多怀疑其准确性。图中元件标号乱标的，但将在本帖各图中将保持一致，与结果无影响。

（电路图1）

　　示波器的A通道（红色轨迹）显示的是4.7uF电容C3上的直流电压波形，B通道（青色轨迹）显示的是通过LED的直流电流波形。实验表明，即便接有4.7uF的滤波电容，通过LED中的电流波动仍然非常的大，幅度达18mA，通过的保底电流仅约4mA，LED的发光应该是有明显的频闪的。刚才用相机对前面说的吸顶灯拍照时，在取景器中明显感到了灯光的频闪。

　　需要特别提到的是，很多人在测量了滤波电容两端有较为稳定的直流电压后，会误以为LED的发光因此就比较稳定了。

　　采用不同容量的降压电容C5，就会有不同的电流、功率等，比较准确的数据详见下表。前面那个表中的数据与本表有较大的出入，当以本表为准。

　　恒流的概念有不同的含义，也分个广义和狭义吧。广义来说就是包括直流、交流、脉动等多种电流模式，电压或负载在一定范围波动的情况下，能维持电流在下一个周期与前一个周期的大小是一致的，且在工作时间内是连续重复的；狭义来说就是直流电压或负载在一定范围波动的情况下，能维持大小相对稳定的直流电流。

　　由于LED是直流工作的，所以本帖所说的恒流概念如非特指均默认指狭义的含义，而电流稳定程度似乎也没个确定的标准。虽然上面仿真电路中LED的平均电流保持在一个很稳定的值且波动也是按周期重复的，但本人在这里认为它不是恒流的。有人说阻容降压本来就有恒流的特点，但本人认为其电流与电压波动仍呈线性关系，所以不认可这种恒流。

　　然而有很多开关式LED恒流驱动电源的输出是占空比固定的、或是PWM方式调光的方波，这算什么呢？通过LED的平均电流大小已经是额定值了，那么在导通期间的电流肯定高于额定值了。本人这么解释：灯珠具有一定的热容量，同时开关频率必须足够高，灯珠的热容足以平滑瞬间过功率产生的热量，这种情况与狭义的恒流是不矛盾的。灯珠热容量越高、热阻越低及散热越好，可以承受的瞬态功率就越大，换句话说就是可以无视瞬态、只看平均。这时就体现出了高频电路的优越性。而工频的周期较长，所以在高频每个周期都可以高功率的灯珠，在工频下就得小心了。

　　下图是在前一电路的基础上加个限流电阻R2、构成二级滤波的情况。如果取掉第一个电解电容C3，由于R2与R17的作用相似而于滤波作用不大，就与前一电路的结果几乎一样了(当然，电阻对尖峰电流的抑制作用不可忽视)；如果取掉电解电容C1，则LED电流波动会有所变大。由于增强了滤波，同时降低了功率，使得LED耐用了。

　　加入电阻R2后，频闪问题明显改善。假如只能选用1个滤波电容，那么保留C3对平滑电压更有效，电阻使电容C3放电变慢，有利于发光的稳定；而保留C1时，由于电阻的限流，会减小对降压电容C5的电流冲击。至于功率变小，则可以通过加大降压电容来适当升补。

（电路图2）

　　根据仿真的结果，计算前两图中驱动电路的效率：电路图1是94%，电路图2是91%。效率与效果难以兼得，需要酌情平衡取舍。

　　要更好地抑制LED中电流的波动，若采用电阻与电容组成的简单滤波电路，就还得继续增大电阻值、增大电容量。从成本、体积、效率等多方面考量，这是我们难以接受的。下面我们就采用三极管电路代替其中的电阻，以自动可变电阻的办法将电流的波动尽量抹平，实现稳流，看能达到怎么样的效果。

　　这是一种三极管恒流电路。先做下说明。图中的元件均为系统库中现有的型号；没有由于13001，三极管Q1、Q2就用13003代替，与结果无影响，已设置正向放大倍数βf=10；为了保证电路能按设计思路工作，先用两只13001接成达林顿形式以提高放大倍数。要想恒流就得采样和反馈，图中R2为电流设定及采样电阻，改变R2就能改变最大电流；三极管Q3为采样放大和反馈，随便选了个常用的，放大倍数是默认值βf=311。

（电路图3）

　　图上示波器青色轨迹为电流波形，仍为齿状，是不是有点失望？其实，这是接近极限的状态：电流不能再大了。波形虽然仍为齿状，但明显上宽下窄，已显示出电路对电流的限制和稳定作用。当R2取60欧姆时，电流轨迹就平稳了，就象是发生了质变。这才是本电路要达到的效果：

（电路图4）

　　这次把示波器A通道改为观察调整管Q2的电压，是绿色轨迹。可以看到，调整管吸收了电源上的大部分电压波动，努力使LED两端电压保持稳定，从而使电流稳定。不过，恒流的同时带来个问题，就是电流调整管是工作在线性放大状态，要消耗功率发热，调整管能吃得消吗？在本帖的例子中，通过调整管的电流约10mA，CE两端电压平均约15V，消耗功率约150mW，这对于13001来说应该没什么问题。
　　实际上电流是可以调大的，不过要同时增大降压电容和滤波电容的容量，使电能供得上才能使电流维持平稳。电流调大的同时，三极管工作点将向饱和区移动，消耗电能会相应变小些。

　　恒流效果是达到了，但电路中一共使用了3只三极管，并且其中两只还必须是高压管，性价比不高啊。能简化吗？我们的目标是只用一只高压三极管，且按本帖标题的说法，要用容易找得到的、价格较低的13001才好。

　　大家都知道13000系列三极管属低β高反压管，放大倍数大多在8—15倍的样子，如果把上述电路４图中的达林顿管改为单管，主要的问题就是放大倍数太低，因而要求基极电阻在100K左右且要选用1/4W功率的才行。虽然多消耗点功率也未偿不能接受，但有违本帖的初衷。下面就把电路修改一下，看是否能行：

（电路图5）

　　调整管的放大倍数β仍然为10。从图中通过LED的电流波形上看虽然有些波动，不过还算可以接受。在这样的电流下，LED是不会有明显的频闪了。如果调整管的放大倍数能再大些效果就会更好一些，所以不要低于10吧。图中又多加了个电容C1，起到了平滑调整管基极电压的作用，使用电流更加平稳；同时有一定的缓启的作用。如果要求不高的话，这个电容可以不加。
　　另外，把坛友decent的用黄光二极管的限流电路也横起来接好，经过提高电压、减少灯珠、增大降压电容量等改变多种条件测试，竟然与上一图用三极管Q2的效果极其接近：

（电路图6）

　　此图中做稳压的LED61不限于黄光的，用最容易找到的红光LED即可，区别很小。在电路图5和6两个图中，流过调整管基极电阻R11的电流正常时约1mA，无论从耐压还是功耗考虑这个电阻选1/8W足亦。值得提一句的是，即便是这1mA的电流也供向了负载，没有浪费，充分“践行”了低碳理念。驱动部分的效率经计算约89.7%。

　　现在换个思路。使负载的电流稳定，可以用分压的方法，也可以用分流的方法。下面是采用分流方法的电路图：

（电路图7）

　　由于降压电容本身不消耗能量，所以才可以用分流的方法使LED中通过的电流减小，达到恒流的目的。从整体效率考虑，分流方法适合负载电压较低的应用，比如剃须刀、定时器、手电筒等等，而并不适合高负载电压的场合。这个图中驱动电路实际效率仅约66%。发上来供大家参考，这里就不多说了。
　　把最近记录的数据整理好后发到这里做为总结，如有与前面数据不一致的，以此为准；

　　发个帖着实不容易，各位看帖也比较辛苦。本楼内容经过几天的时间，终于可以告一段落了，能有些参考价值就知足了，能杀啥我说不来，由各位自己来定吧。其中还有不少谬误，望大侠们多多包涵。在此谢过各位的鼓励和关注，如有M币也请不吝支持一下。下面一楼，计划抽时间同各位分享几张实战的图。

　首楼中提到的照度测量数据：“弱光和微光两档耗电分别仅1.15W和0.2W，1米处照度分别是145Lux和29Lux。"是用自已的手机测的。
　　照度计，你也可以有，它就在这里：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=774161

　　下面是一组用DIY的LED灯板改造一个吸顶灯的图。这个吸顶灯早先在客厅中，是装白炽灯泡的，因为是玻璃罩子的就没有扔，把它用到阳台上正合适，透光好还容易清洗。坛友卖家那里正好有1元1块的福利洞洞板，大小还算合适：
阻容降压+恒流软启，仿真优化+13001实战，杀啥由你定