基于Multisim無頻閃直流LED燈的電路設計

朱佳寧，郭鑫方，呂 巖，李世豪，馮智凡，常春蕊

(華北理工大學理學院，河北 唐山 063210)

引言

光頻閃，即光源發出的光隨時間呈現快速、重復性的強弱變化[1]。研究表明, 使用無頻閃的直流熒光燈, 眼的調節近點、集合近點、閃光融合頻率、明視持久度等指標的變化程度, 明顯小于有頻閃的熒光燈, 差異有顯著性(P<0.05,P<0.01)， 提示在同樣條件下, 無頻閃的熒光燈可以減輕視覺疲勞程度[2]。若將通過光源的交流電轉化為穩定的直流電，電流將無任何波動，從而保證光線的連續穩定和實現無頻閃。

因此，本文基于“交流到直流，直流到穩定直流”的雙級方案，首先利用仿真模擬軟件Multisim10.0進行仿真模擬[3]，以確定各元件的匹配參數，然后基于節能環保的優勢選用LED作為光源，運用所設計的電路搭建無頻閃直流LED燈[4]。

1 理論原理分析與設計

圖1為將家用220 V，50 Hz交流電轉變為某一穩定電壓、穩定電流的直流電的原理示意圖。該設計的核心主要由整流電路、濾波電路和穩壓集成電路三部分組成。其中，整流電路部分是由四個二極管組成的橋式電路；基于二極管的單向導電性，實現了使交流電壓變換成單向脈動電壓，達到交流變直流的目的。濾波電路的主要元件是電容；基于電容的充放電特性，當電壓升高時，電容充電，當電壓降低時，電容放電，對于經二極管整流、含有較大脈動成分的電壓，電容如此反復充放電，從而使負載上的電壓波動大大減小。而集成穩壓電路則通過調整管、基準電壓電路、采樣電路和比較放大電路等四個組成部分來進一步確保輸出電壓的穩定。經整流、濾波和穩壓后，家用交流電已轉變為穩定的直流電，并為負載光源供電。

圖1 直流LED燈的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the DC LED lamp

2 仿真模擬方案

2.1 性能指標要求

基于上述性能指標要求，經過Multisum仿真模擬，給出電路中燈泡正常發光情況下各元器件型號參數的匹配組合，如表1所示。其中，C2主要用于濾除輸出電壓中的高頻噪聲，并可改善負載變化時的瞬態響應，從而確保電路工作穩定；其容量一般較小，改變其值對電路影響不大，我們選用100 μF的電容C2。

表1 各元器件型號參數的匹配組合

經過對表1的數據整理與分析，我們選用輸出電壓較為平穩的“3N246型號橋式電路、1 mF電容C1、LM7815CT型號三端穩壓器和100 μF電容C2”組合給予進一步仿真討論。

2.2 仿真結果

我們利用Multisim10.0仿真模擬軟件進行模擬仿真，如圖2所示。其中，V1表示220 V交流電源，T1表示變壓器(主要用于獲得整流電路需要的交流電壓)，D1表示橋式電路，C1和C2分別表示電容，U1表示三端穩壓器，J1表示開關，R1表示電阻，LED1表示負載光源，XSC1和XSC2分別表示示波器。圖中標記為XSC1和XSC2的示波器分別測試穩壓濾波前后的電壓信號，而示波器XSC1的A、B兩個通道將給出二極管整流前后的電壓波形。

圖2 直流LED燈的Multisim10.0仿真模擬圖Fig.2 Multisim10.0 simulation diagram of the DC LED lamp

圖3 經整流、濾波及穩壓的電壓信號變化情況Fig.3 Voltage signal changes through rectification, filtering and voltage regulation

圖3為仿真后各示波器所示波形。圖3(a)～(b)表明經二極管橋式電路整流，電壓信號已由A通道所示的類方波形交流電壓信號轉變為由B通道所示的具有一定波動的直流電信號。而圖3(c)表明經穩壓濾波之后由三端穩壓器輸出的電壓被穩壓在15 V左右。其中，圖3(c)中0～9 ms波段對應于電路中電容的存儲吸收電能或釋放補償電能的緩沖作用，有益于輸出電壓的平衡穩定。

進一步地，通過模擬仿真分析穩壓電路的穩壓性能指標。一方面通過穩壓系數Sr反映在負載不變的條件下當電網電壓波動時輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比[9]，另一方面考查在輸入電壓不變的條件下穩壓電路受負載變化的影響[10]。表2和表3分別為電網電壓波動時和負載電阻變動時所對應的各輸出電壓值。由表2中電網電壓波動在±10%時的情況，即在輸入電壓分別為198 V和242 V時對應的輸出電壓分別為14.733 V和14.751 V，根據式(1)得穩壓系數為

(1)

該值小于0.05，滿足設計要求，且由表2中各數據可知輸入在±10%之間變動時對應的各輸出電壓波動均小于0.1 V，穩壓效果良好；而由表3數據也可以看出，當負載電阻變動時對應的各輸出電壓波動均亦小于0.1 V，穩壓效果也較好，滿足設計要求。

表2 R1=4 Ω，電網電壓波動時輸出電壓值

可見，通過二極管整流、電容濾波及三端集成穩壓，仿真模擬得到了與理論設計結果基本一致的穩定的直流電壓。其中，二極管的單向導電性實現了將隨時間變化的工頻交流轉化為單方向的脈動直流，電容的隔直通交特性實現了使輸出電壓接近于理想的直流電壓，三端集成穩壓進一步地使直流輸出電壓更加穩定，且不受外界交流電源電壓波動及負載變動的影響。

表3 Ui=220 V，負載變動時輸出電壓值

3 實際實驗與結果測評

將各元器件用導線按仿真電路圖連接。其中，在變壓器后加可調電阻,以使三端穩壓器的輸入電壓可調；在負載處加可調電阻，以使負載輸出電壓可調，從而保證LED光源兩端的分壓達額定值而正常發光。負載處串接的電阻起到了鎮流的作用，有利于LED照明驅動電路的穩壓穩流[11，12]。圖4為LED光源點亮圖及其兩端的電壓信號波形圖。

圖4 LED光源點亮及其兩端的電壓信號波形圖Fig.4 LED lighting and the voltage signal waveforms at both ends

可見，依“交流到直流，直流到穩定直流”的雙級方案，我們已基本獲得適于LED光源工作的穩定直流。然而，以Multisim仿真模擬，根據負載輸出電壓與輸出電流等性能指標要求確定的降壓變壓器、整流二極管、濾波電容以及三端集成穩壓器等元器件的規格參數是存在一定局限性的。如圖4所示實驗中負載光源兩端電壓信號波形的實際測評結果與經模擬得到的圖3(c)所示理想直流電壓之間還存在一定差距。因此，應用該軟件進行電路仿真模擬時，其結果只是在選擇各元器件、搭建實際電路時作為主要參考，而不能完全取代電路的最終設計。

4 結束語

本文主要探究了LED直流燈供電穩定直流的設計原理和思路，從而設計消除頻閃的照明電路。我們利用Multisim10.0軟件輔助設計和仿真評估，快速準確模擬電路中各元器件的參數指標，以得到可靠性評估結果。根據評估結果進行實際實驗和測評檢驗，在檢驗過程中進行適當改進，從而使消除頻閃的效果更加明顯。

致謝：感謝華北理工大學理學院大學物理實驗室提供的實驗平臺；感謝實驗室主任張占新老師及實驗室所有老師給予的幫助和支持。