冰箱用LED照明燈的設計分析

1 引言

LED是發(fā)光二極體（Light Emitting Diode）的英文縮寫，通常也稱發(fā)光二極管，是一種可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光的固態(tài)半導體元件。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附著在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當電流借助導線這種載體將電子傳送到晶片的時候，電子向P區(qū)移動，在此處電子跟空穴復合，通過這種作用就能發(fā)出可見光，這就是LED發(fā)光二極管的發(fā)光原理。

LED燈的P-N結(jié)材料決定光的波長，從而呈現(xiàn)出不同的顏色。如圖1所示。

2 LED照明燈在冰箱上的設計分析

LED以其壽命長、高效、節(jié)能、環(huán)保、體積小、亮度高等特點，已經(jīng)廣泛用于到各行各業(yè)中，比如用于LED顯示、指示燈、照明等，冰箱行業(yè)也為了給用戶提供更可靠、更節(jié)能的冰箱，LED也大量的用到冰箱產(chǎn)品上，比如替代冰箱照明的傳統(tǒng)燈泡。從節(jié)能上看，冰箱上的傳統(tǒng)的燈泡為白熾燈，功率為15W左右，而用LED燈組合，功率不到大于1W，就可以達到同樣的照明效果，僅此一項的耗電量就大大減少；LED燈是一種無毒無害的材料，可以循環(huán)利用，不對外部環(huán)境造成污染；它體積也遠小于普通燈泡，利于節(jié)省箱體內(nèi)部空間，其不同的組合更是可以令感官設計新穎別致；而且LED燈的壽命可以長達數(shù)萬小時，遠遠優(yōu)于普通燈泡，減少用戶的維修成本；其封裝結(jié)構(gòu)，遠比普通燈泡堅固耐用，方便運輸；而其冷發(fā)光技術，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多，即使是長時間使用，也不會影響食物的溫度。

LED的驅(qū)動電路為LED燈提供穩(wěn)定、可靠的電源，目前，將交流220V市電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波、開關電源降壓后再整流濾波或電容降壓式后再整流濾波的驅(qū)動方式。變壓器是一種阻抗器件，能夠改變交流電壓和電流大小，當交流電流通過初級線圈時，線圈中包裹的鐵芯（一般為硅鋼片）就會有交流磁通產(chǎn)生（電生磁），依據(jù)電磁感應定律，次級線圈中就會有電壓（或電流）產(chǎn)生（磁生電），由于初級和次級線圈中匝數(shù)不同，從而使電壓發(fā)生改變，然后通過整流和濾波電路給LED燈提供驅(qū)動，變壓器降壓具有變壓穩(wěn)定、功耗大、體積大、成本高等特點；開關電源是一種電子開關元件（比如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過電子開關元件頻繁的“打開”和“關閉”，對輸入電壓進行脈沖寬度調(diào)制，來實現(xiàn)AC/DC以及DC/DC的電壓轉(zhuǎn)換，同時輸出電壓也能根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，還能保持較穩(wěn)定的電壓，開關電源具有高可靠性、低噪聲、體積小、成本高等特點；阻容降壓是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流，然后通過整流和濾波電路給LED燈提供驅(qū)動，阻容降壓具有變壓穩(wěn)定性較差，驅(qū)動負載功率小、功耗小、占用體積小、成本低特點。而冰箱照明系統(tǒng)功率小、成本要求高、設計體積受限，因此最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。

為了達到同普通照明燈泡一樣的照明效果，單一的LED燈亮度無法滿足設計要求，需要通過幾個LED單燈的組合才能替代傳統(tǒng)的燈泡，進一步提高產(chǎn)品設計的通用性。

在冰箱中LED燈的設計時可以考慮兩種方案，即LED燈串聯(lián)和LED燈并聯(lián)。

LED燈并聯(lián)電路是在每個燈兩端施加同樣大小的較低電壓，但要考慮如何保證每個LED燈的亮度基本一致，所以就要求增加鎮(zhèn)流電阻或穩(wěn)定的電流，從而使每個LED的亮度基本保持一致。若每個LED燈中流過的電流大小不同，那么每個LED燈的亮度就會存在誤差，這樣LED燈的實用性和美觀性大大降低。而串聯(lián)接法中每個LED燈都是通過同一條線路來工作的，電流就能保持一致，缺點是電源電壓高，但降低了電路的電流。LED燈并聯(lián)電路中，總電流是通過各個LED燈的電流之和，因此在設計電路時需要考慮大電流設計。另外，在串聯(lián)電路的設計中，如果其中一支LED燈斷路，所有的LED燈都不亮，但是如果其中一支LED燈短路時，其余的LED燈繼續(xù)工作。在并聯(lián)電路的設計中，如果其中一支LED斷路時，其余的LED燈繼續(xù)工作，但如果其中一支LED燈短路時，電源電路也將被短路，從而導致整個電路都不能正常工作，同時可能造成電路燒毀。通過以上分析，對于LED燈照明采用串聯(lián)電路較有優(yōu)勢。另外也可以通過先串聯(lián)再并聯(lián)的方式形成LED陣列（即用少量LED燈串聯(lián)后再串聯(lián)上穩(wěn)定電流的電阻，然后再將幾組串聯(lián)支路并聯(lián)），這種方式就克服或減少了當其中一只LED燈斷路或短路時，整個LED燈不亮或電路燒毀的問題。下面分別對采用串聯(lián)或并聯(lián)的LED燈照明電路進行設計試驗。

首先選擇的是并聯(lián)電路（如圖2），其中C1和R1組成阻容降壓電路，D1-D4進行整流電路。這樣設計的出發(fā)點是考慮其中某個LED燈損壞時，還能保證基本的照明使用。然后來試驗設計的可靠性。

通過一段時間試驗發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電路存在電流沖擊的缺陷，電流沖擊容易造成單個的LED燈的損壞,每個LED的亮度一致。而理論上LED燈單個損壞的可能性小，通過LED燈和普通燈泡的的壽命對比試驗，也是顯而易見的。而造成這個問題是由于每個LED燈在實際應用中存在電流偏值誤差。如果需要改進，則需要在電路系統(tǒng)中增加限制電流的電阻或者提供穩(wěn)定的電流來使每個LED燈都具有基本一致的電流通過，但通過這種改進增加了成本，不符合簡單、安全、成本低的要求。

重新選擇LED燈串聯(lián)的方式（如圖3），由于串聯(lián)接法中每個LED燈都是通過同一條線路來工作的，電壓電阻固定，那么通過LED燈電流就基本保持一致，缺點是電源電壓高，但降低了產(chǎn)品的電流。為了滿足電源電壓的要求，提高產(chǎn)品工作的可靠性，將阻容降壓電路中的電容C1更改為334J/630VAC。

通過測試分析發(fā)現(xiàn)電路板上的R2（120Ω 1W）電阻耐壓不夠，容易造成電阻R2擊穿。為解決R2擊穿問題，將R2（120Ω 1W）電阻改為兩個電阻R2和R4（62Ω 1W）的串聯(lián)方式，通過兩個電阻的分壓來解決這一問題（如圖4）。電路設計的可靠性。（如圖5）

圖1 LED燈株

圖2 并聯(lián)電路

圖3 LED燈串聯(lián)

通過以上的一系列的電路設計，使220V的LED燈組件的耐壓提高到630V，耐電流沖擊提高到30mA（實際使用不到10mA），基本滿足城市、農(nóng)村電壓電流波動需要。

在LED板工藝設計方面，由于組件的面積較小，增大爬電距離，在強弱電間開槽以增加其電器間隙。防止元器件之間打火從而形成安全隱患。

在生產(chǎn)加工時要調(diào)整元件的焊盤大小，使上錫效果更飽滿，去除虛焊，保證可靠連接。

同時要做好靜電防護，以防徒手接觸LED燈的管腳，使其被靜電擊穿損壞。

在產(chǎn)品使用上，LED燈的設計要符合電磁兼容的要求。

圖4 兩個電阻的分壓

圖5 增加壓敏電阻器

3 小結(jié)

通過測試分析發(fā)現(xiàn)，仍存在整個電路發(fā)生擊穿的問題，分析發(fā)現(xiàn)由于存在瞬態(tài)過電壓，在電路中增加壓敏電阻器，可以解決此問題。這種隨機瞬態(tài)的浪涌電壓，其沖擊電流電壓峰值可能很大，壓敏電阻在電路中起到保護作用，提高了

通過以上電路設計的改進、優(yōu)化以及生產(chǎn)中的質(zhì)量控制，保證了LED燈在冰箱中應用的安全、可靠、美觀、大方。目前LED燈的價格是高于傳統(tǒng)燈泡的，隨著它的大量應用，其價格勢必會下降。但要把握原材料及各個關鍵的工序的質(zhì)量，才能使LED燈照替代傳統(tǒng)照明燈泡發(fā)揮出其優(yōu)勢。