交流發光二極管燈具頻閃特性研究

孫富康 解建俠 竇 秋 周 春 王 業

（1.安徽建筑大學節能研究院，合肥230022；2.教育部建筑能效控制與評估工程研究中心，合肥 230022；3.建筑節能安徽省工程技術研究中心，合肥230022；4.合肥市第48中學，合肥 230061）

交流發光二極管（AC-LED）是一種交流電直接驅動發光二極管的技術，與直流發光二極管（DC-LED）的區別是：直流發光二極管需要采用變壓器、整流電路將交流電源轉換成直流電源，而交流發光二極管可以直接由交流電驅動，不需要交直流轉換電路。與傳統的直流發光二極管燈具相比，交流發光二極管燈具去除了30%～50%的電源損耗，減少了30%～40%的制造成本，電源驅動相對簡單，能更加有效地傳輸和利用電能，抗電子干擾能力更強。

采用4段式恒流驅動芯片BY-V7H04設計7 W交流發光二極管球泡燈具，將其作為實驗研究對象，研究燈具的閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度特征及頻閃現象發生機理。

1 交流發光二極管

2000年，Tamura設計實現了可以由100 V交流電壓驅動的LED模組，該模組由697個直流發光二極管（DC-LED）組成。2005年，韓國首爾半導體公司（Seoul Semiconductor Inc）和美國3N技術（III-N Technology Inc）公司分別基于反向并聯電路結構和金屬有機化合物化學氣相沉淀技術（MOCVD，Metal-organic Chemical Vapor Deposition）生產出交流發光二極管芯片（AC-LED，Alternative Current Light Emitting Diode）。2006年，美國Lynk Labs公司研制了一種基于電容式電流控制（Capacitive Current Control）的交流發光二極管芯片。2008年，中國臺灣工業研究院電子與光電研究所設計了基于惠斯通電橋結構的交流發光二極管芯片。

交流發光二極管典型電路拓撲如圖1所示，其工作電壓、電流特征如圖2所示，其電壓、電流、光通量和光效特征滿足式（1）～式（7）。其中，U(t)為輸入的交流電壓；Um為輸入的交流電壓峰值；VF為交流發光二極管的正向導通電壓值；Ton為交流發光二極管點亮的時間；I(t)為交流發光二極管的工作電流值；Irms為均方根電流；Res為電路中的平衡電阻值；Ф為光通量；ηT為光效。

圖1 交流發光二極管電路拓撲

圖2 交流發光二極管工作電壓和電流特征

2 分段線性恒流驅動技術

交流發光二極管的驅動方案有2種：無橋式驅動和有橋式驅動。分段線性恒流驅動技術（Segmented Linear Constant Current Drive）是一種有橋式驅動方案，是通過開關元件將交流發光二極管燈串分段點亮，同時，采用線性控制技術保證每段電流的波動范圍。分段線性恒流驅動的電路結構如圖3所示，包括整流電路、采樣電路、開關控制電路、開關電路和電流控制電路。目前，韓國Innovision公司生產的DCL2118芯片、杭州杰華特公司生產的JW1690T芯片、深圳明微公司生產的SM2087芯片都是分段恒流驅動芯片。

圖3 分段線性恒流驅動電路框圖

3 實驗測試方案

3.1 實驗測試平臺

為檢測交流發光二極管燈具的閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度參數，實驗采用杭州遠方生產的LFA-2000型光源頻閃測試儀，搭建燈具頻閃特性測試平臺，分別獲取燈具閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度的變化數據。實驗平臺架構如圖4所示。

圖4 實驗平臺

3.2 實驗樣品設計

實驗樣品燈具為一款8 W交流發光二極管球泡燈具。該燈具采用分段線性恒流驅動方案，驅動芯片為BY-V7H04。該芯片可負載2路4段燈串（A、B兩路分別有4個燈串），并提供電流和熱過載保護，3種芯片均為負載的每段燈串設置對應電流閥值，保證電路的高功率因數和低諧波失真特性。實驗樣品燈具電路板實物與電路原理如圖5所示。圖中A、B兩路燈串分別可以負載4個燈串，S1、S2、S3、S4分別代表4個燈串。

圖5 燈具電路板實物及電路原理圖

3.3 參數定義

圖6為光源在空間某點產生的瞬時照度特征曲線。圖中，Emax、Emax2、Emin和 Eav分別為光源的最大照度值、次大照度值、最小照度值和光照度平均值，T為一個測量周期。此外，圖中的A1為大于平均照度的所有照度信號與平均照度的差值面積總和，A2為小于平均照度的所有照度信號的面積總和。

圖6 光源在空間某點產生的瞬時照度曲線

基于圖 6 及上述描述，閃爍指數（FI）、波動深度（δ）和調制深度（MD）的定義如式（8）、（9）和（10）。

4 實驗分析

實驗過程中，通過人工調節燈具的輸入交流電壓模擬4段恒流驅動方案的燈串依次導通（電亮）過程。4個燈串的導通電壓分別是：第1段（S1）60 V，第2段（S2）90 V，第 3段（S3）130 V，第 4段（S4）170 V。輸入第1段電壓時，1號燈串導通；輸入第2段電壓時，1、2號燈串導通；輸入第3段電壓時，1、2、3號燈串導通；輸入第4段電壓時，燈串全部導通。

實驗過程中，人工給定的測試點輸入電壓分別是60 V，80 V，160 V和220 V。實驗獲得的閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度數據如表1所示。

表1 燈具閃爍指數、波動深度和調制深度測試結果

分段恒流驅動模式中，電路所負載的燈串被分段點亮，如圖7所示。已知，交流輸入電壓的頻率f＝50Hz，通過全橋整流后，單個周期時間T＝10 ms。單個周期中，1號燈串的導通時間段是[1.36,8.64]ms，導通時間寬度為7.28 ms；2號燈串的導通時間段是[1.36,7.95]ms，導通時間寬度為5.59 ms；3號燈串的導通時間段是[2.95,7.05]ms，導通時間寬度為4.1 ms；4號燈串的導通時間段是[3.86,6.14]ms，導通時間寬度為2.28 ms。由此可知，單個周期內，光源有2.72 ms是完全不被點亮的，且各燈串點亮的時間段和時間寬度相異，因而，燈具呈頻閃現象。燈串導通時間分布如圖8所示，頻閃現象如圖9所示。

圖7 燈串導通電壓與導通時間示意圖

圖8 燈串導通時間分布示意圖

圖9 燈具頻閃現象

各燈串導通燈具閃爍指數、波動深度、調制深度和光 照度指標隨時間與輸入電壓變化的特征如圖10所示。

圖10 燈具頻閃特性變化示意圖

5 結 論

燈具普遍存在頻閃現象。燈具頻閃的程度直接影響人的視覺感受。與其他燈具不同，交流發光二極管燈具頻閃現象的發生是由其特有的驅動及工作方式造成的。文章以分段線性恒流驅動的8W交流發光二極管球泡燈具為實驗樣件，通過實驗測量燈具的閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度指標（見圖10），分析燈具頻閃特征的時間變化特征及規律，探討頻閃現象的發生機理。實驗研究表明：

1）分段驅動模式是交流發光二極管燈具發生頻閃現象的直接原因。接通電源后，燈具中各段燈串被點亮的時間段和時間寬度不同，1號燈串的導通時間最長，4號燈串的導通時間最短，燈具27.2%的時間處于熄滅狀態。

2）單個周期內，燈具的閃爍指數、波動深度、調制深度和光照度隨燈串依次點亮的過程（負載燈串數量的變化）而變化，并呈現周期性頻閃特征。當燈具中的燈串全部被點亮時，燈具閃爍指數、波動深度和調制深度的數值最低，而光照度平均值最高。

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