印度古爾岡地鐵增購項目客室LED燈照明故障原因分析及改進方案

劉拴奇 葉明雪

摘 要：文章簡要介紹了印度古爾岡地鐵增購項目客室LED燈照明出現的故障現象以及改進方案。希望通過文章的概括分析，為今后的相關內容研究提供參考。

關鍵詞：電阻；電容；電感

中圖分類號：TM923.34 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0017-02

Abstract： This paper briefly introduces the malfunction phenomenon of LED lamp lighting in the passenger room of the Gurgaon Metro's additional purchase project in India and the improvement scheme. It is hoped that through the general analysis of the article， it will provide a reference for the future research of relevant content.

Keywords： resistance； capacitance； inductance

1 概述

印度古爾岡增購項目在運營三個多月后，發現客室照明LED燈板如圖1所示，故障燈板基本都是兩排燈珠不亮。經過檢查發現LED故障現基本為單串回路的第一顆LED成開路，或者高阻抗狀態，導致LED不亮或者微亮。

2 故障原因及分析

2.1 故障原因

實驗發現，在單顆LED兩端有反向30多伏尖峰電壓（見圖2），而LED的反向耐壓為5V（標稱值，實際可能優于此值）。分析為LED燈長時間運行時的反向尖峰電壓能量堆積是導致LED故障的主要原因。

產生反向電壓的主要原因是光源板與燈體之間存在分布電容，以及光源板輸入導線之間存在分布電感，盡管這些分布參數很小但是可能對電路工作形成一定的影響。

2.2 原因分析

任何導體和與之絕緣體另側的導體都可以形成電容，這個電容就是分布電容。因此光源板與燈體之間必定會存在分布電容，盡管該分布電容很小，但是經過長時間電核的積累。會對電路及LED正常工作造成一定的影響。

分布電感指在電路中由于導線和一般元器件的分布而存在的電感，電感是能夠把電能轉化為磁能存儲起來的。當線圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應，感應磁場又會產生感應電流來抵制通過線圈中的電流。

光源板的原理如圖3所示，一路14顆LED一串，一共5串共70顆LED。每路LED恒流15mA。

LED一直工作在高頻開關狀態，因分布電感和分布電容的影響部分電路原路圖擴展成如圖4所示。

具體說明：在電路通電流的瞬間電容會產生一個充電脈沖，電感會產生一個自感電勢。因兩者的電流和電壓最大值在時間相位上有差別，這就造成了兩者的電流或電壓總是在強弱間變化然后產生振蕩。如果無外部能量繼續供應，這種振蕩是會隨著電路電流和電壓的穩定慢慢停歇的。因LED一直處于高頻開關狀態，所以這種振蕩會一直存在。

以一個LED開關周期進行說明，一串LED的其中一顆進行描述。當輸入開通時，分布電感充能（圖5），LED正常導通，因為LED有固定正向導通電壓，約3.3V，因此在LED兩端的電壓U1等于3.3V，當輸出斷開時，因電感釋放能量（圖6），分布電容充電，此時LED兩端的電壓就是分布電容充電完畢后的電壓，該電壓約等于電感放電時的感應電動勢。此時LED存在反向電壓值。

LED正常工作時處于恒流狀態，工作電流為15mA，電感電壓U=L（dI/dt），因此電感越大，產生的反向電壓越大。盡管分布電容與分布電感很小，但是經過電容與電感的反復開關震蕩，會存在一定的反向電壓。

3 改進方案

在綜合驗證各方面電氣性能的基礎上得出在電源的輸出端增加RC吸收電路，對吸收反向尖峰電源具有顯著作用且對電源模塊本身基本無影響。如圖7所示。

RC吸收電路是利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率，因電路總是存在電感，所以電容C與電阻R串聯可起阻尼作用，防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管，同時也避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。圖8為增加RC吸收電路的LED反向電壓。

從圖8的測試分析，加入吸收電路可以讓LED的反向尖峰電壓抑制到低于器件標稱的反向耐壓值。

4 結束語

通過在LED燈電源模塊上增加吸收電路后，本項目列車未再出現類似故障，說明該方案可行。

此次反向電壓的形成類似于接觸器原理，不同的是接觸器在開關時形成的反向電壓被二極管所化解，LED燈的電源模塊在設計當初未考慮到反向電壓問題，故此電源模塊存在著設計上的缺陷，因此在設計初期應該對設計方案進行細致的驗證及優化，才能使設計的產品更加穩定地工作。

參考文獻：

[1]邵展圖.電工基礎（第四版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007.