地鐵車(chē)輛中電容元件對(duì)負(fù)載性能的影響

王詩(shī)遠(yuǎn) 蔣巧

摘 要：文章在簡(jiǎn)述客室LED燈燈帶故障原因及解決方案的基礎(chǔ)上，分析了LED燈工作原理和電路結(jié)構(gòu)，并且更進(jìn)一步的研究和分析了線路中電容元件對(duì)于負(fù)載性能的影響。

關(guān)鍵詞：LED燈;電容;負(fù)載性能

曾出現(xiàn)如下故障：將照明供電模塊接入一外接低壓直流電源（額定參數(shù)110V、10A，電壓可調(diào)節(jié)，最大允許電流10A）。結(jié)果，電源為客室內(nèi)部照明供電模塊供電時(shí)，客室LED燈出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。在檢查了供電模塊工作狀態(tài)后，排除了供電模塊故障的可能。隨后查看外接電源狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電源電壓顯著降低，電流明顯增大。在為該車(chē)更換了參數(shù)為110V、30A的直流穩(wěn)壓電源，將最大供電功率提升到了3倍后，客室LED燈可正常工作。

本文針對(duì)該故障，從電路組成、元件性能的角度分析了其原因及解決方案。

1 LED燈工作原理

1.1 LED燈結(jié)構(gòu)

LED燈的主體即一個(gè)半導(dǎo)體晶片，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，它們之間形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，即燈珠點(diǎn)亮。

1.2 LED燈驅(qū)動(dòng)電路

LED電路具有3個(gè)核心組成部分：LED燈珠、驅(qū)動(dòng)電源、散熱器及結(jié)構(gòu)件。其中的驅(qū)動(dòng)電路大部分都采用了輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路。為了將輸出電壓限定在允許范圍內(nèi)，同時(shí)也為了保持輸出電流的平滑，這兩種濾波電路中都使用了大容量電容。

2 電容對(duì)于負(fù)載電路的作用

鑒于對(duì)LED燈電路結(jié)構(gòu)的探究，可判斷出問(wèn)題出自驅(qū)動(dòng)電路。作為無(wú)源元件的電容，在電路中的作用主要如下：

2.1 濾波

由于電容的兩端電壓不會(huì)發(fā)生突變，那么當(dāng)電路交流成分處于由谷值進(jìn)入峰值的狀態(tài)時(shí)，電容就會(huì)吸收溢出的電能，降低線路電壓;當(dāng)電路交流成分處于由峰值進(jìn)入谷值的狀態(tài)時(shí)，電容就會(huì)補(bǔ)充不足的電能，提升線路電壓。所以，濾波就是電容充電，放電的過(guò)程。

2.2 儲(chǔ)能

儲(chǔ)能型電容器也可通過(guò)整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量傳送至電源的輸出端。根據(jù)不同的電源要求，接線方式也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的更改。常見(jiàn)的電容器包括：電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000uF之間的鋁電解電容器以及用于高功率設(shè)備的罐形螺旋端子電容器。

3 分析

通過(guò)對(duì)LED燈結(jié)構(gòu)和電容功能的分析，得出結(jié)論：正是因?yàn)檎彰鞴╇娀芈分蠰ED驅(qū)動(dòng)芯片的電容成分導(dǎo)致了燈光閃爍的現(xiàn)象。在LED燈驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)始通電時(shí)，芯片管腳上的電容會(huì)有一個(gè)快速充電的過(guò)程（這個(gè)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間是200ms），因此會(huì)對(duì)線路電流造成一個(gè)相當(dāng)大程度的抬升。若電源的功率不足，滿足不了啟動(dòng)功率的需要（即最大電流比啟動(dòng)電流要小），那么LED電路就會(huì)不斷地進(jìn)行啟動(dòng)—關(guān)斷—再次啟動(dòng)—再次關(guān)斷這樣一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，最終會(huì)出現(xiàn)照明閃爍的現(xiàn)象。隨后進(jìn)行的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)充分證明了結(jié)論的正確性。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為3步：

（1）關(guān)閉30A的直流電源，設(shè)置10A的直流電源電壓為110V，將其接入電路。觀察到客室LED燈閃爍現(xiàn)象。去除其中2個(gè)照明供電模塊，只為一半的照明供電時(shí)，10A可以正常啟動(dòng)照明電路。

（2）將30A與10A的電源同時(shí)接入電路。先啟動(dòng)30A電源，設(shè)置電壓為110V，客室照明正常點(diǎn)亮，使用鉗形電流計(jì)測(cè)量電源輸出電流為4.9A;隨后打開(kāi)10A電源，然后將30A電源關(guān)閉，觀察到客室照明仍繼續(xù)正常工作。

（3）將金屬水壺改造為小電阻，串入電源輸出端。（示波器只能測(cè)量電壓的變化，若想得知電流的狀態(tài)，則必須利用純阻性負(fù)載的伏安特性，將電流的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載兩端電壓的變化。）單獨(dú)使用10A電源啟動(dòng)照明負(fù)載并用示波器測(cè)量改造電阻兩端電壓，得到一個(gè)震蕩波形。

該實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了LED負(fù)載的啟動(dòng)功率與工作功率的關(guān)系。在LED負(fù)載啟動(dòng)的瞬間，因電容充電儲(chǔ)能，電路的電流會(huì)有一個(gè)突然增大的現(xiàn)象。由于工作電壓是恒定的，那么啟動(dòng)功率會(huì)遠(yuǎn)大于工作功率。如果有一個(gè)大功率電源能夠在短時(shí)間內(nèi)滿足啟動(dòng)功率，讓LED燈進(jìn)入正常工作狀態(tài)，此時(shí)將大功率電源換成一個(gè)小功率電源依舊可以維持負(fù)載正常運(yùn)作。依照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷，啟動(dòng)功率是正常工作功率的3到4倍。

5 電源改造方案

通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)，可確定LED燈故障是因?yàn)?0A電源不足以負(fù)荷啟動(dòng)功率而造成的。遂提出以下方案。

5.1 10A直流電源線路改造

在LED供電回路兩端并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，同時(shí)電源和照明供電模塊之間串入一限流電阻，電源輸出端并聯(lián)一個(gè)電容以補(bǔ)充輸出功率，調(diào)高外接直流電源的電壓值來(lái)增大電源總功率。穩(wěn)壓二極管與發(fā)光二極管反向并聯(lián)，起保護(hù)作用。一旦發(fā)光二極管正向壓降過(guò)大，超出了穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，穩(wěn)壓二極管就會(huì)將發(fā)光二極管短路。而限流電阻主要是為了分壓以達(dá)到限制線路電流大小的目的。負(fù)載功率的增大是因?yàn)椴⒙?lián)電容的儲(chǔ)能作用可以補(bǔ)充電能到干路中去，使輸出電流可以更大，以達(dá)到提高輸出功率的效果。

5.2 車(chē)間配電房24V直流輸出線路改造

車(chē)間配電房輸出的24V直流電存在很大的交流諧波成分，經(jīng)示波器測(cè)量電源輸出波動(dòng)很大，峰值可達(dá)到50V，這無(wú)疑會(huì)燒壞額定輸入為24V的設(shè)備。為了得到穩(wěn)定的輸出波形，可以在直流電源的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容，利用其濾波的作用將線路中的“毛刺”即交流成分轉(zhuǎn)化為直流輸出。為了增強(qiáng)線路的穩(wěn)定性并進(jìn)一步降低輸出端電壓，輸出端還需并聯(lián)一個(gè)電阻。

6 結(jié)論及思考

綜上所述，故障是由于LED燈驅(qū)動(dòng)電路里的電容元件充電，導(dǎo)致外接電源無(wú)法滿足啟動(dòng)功率需求而造成的。因此，相應(yīng)線路的線纜、斷路器、電源容量的選擇，需要在標(biāo)稱(chēng)值的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。如不能滿足線路設(shè)備啟動(dòng)功率的需求，可參考三相電機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)，即犧牲瞬時(shí)功率來(lái)保證線路的平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李磊.LED照明電源的研究與設(shè)計(jì)[M].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[2]大谷義彥，夏晨.LED照明現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J].中國(guó)照明電器，2007（06）.

[3]萬(wàn)昳.智能LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.