朱佳寧，郭鑫方，呂 巖，李世豪，馮智凡，常春蕊

(華北理工大學(xué)理學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

光頻閃，即光源發(fā)出的光隨時(shí)間呈現(xiàn)快速、重復(fù)性的強(qiáng)弱變化[1]。研究表明, 使用無(wú)頻閃的直流熒光燈, 眼的調(diào)節(jié)近點(diǎn)、集合近點(diǎn)、閃光融合頻率、明視持久度等指標(biāo)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(wú)頻閃的熒光燈可以減輕視覺疲勞程度[2]。若將通過(guò)光源的交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電，電流將無(wú)任何波動(dòng)，從而保證光線的連續(xù)穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)無(wú)頻閃。

因此，本文基于“交流到直流，直流到穩(wěn)定直流”的雙級(jí)方案，首先利用仿真模擬軟件Multisim10.0進(jìn)行仿真模擬[3]，以確定各元件的匹配參數(shù)，然后基于節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)選用LED作為光源，運(yùn)用所設(shè)計(jì)的電路搭建無(wú)頻閃直流LED燈[4]。

1 理論原理分析與設(shè)計(jì)

圖1為將家用220 V，50 Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槟骋环€(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流的直流電的原理示意圖。該設(shè)計(jì)的核心主要由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓集成電路三部分組成。其中，整流電路部分是由四個(gè)二極管組成的橋式電路；基于二極管的單向?qū)щ娦裕瑢?shí)現(xiàn)了使交流電壓變換成單向脈動(dòng)電壓，達(dá)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(dāng)電壓升高時(shí)，電容充電，當(dāng)電壓降低時(shí)，電容放電，對(duì)于經(jīng)二極管整流、含有較大脈動(dòng)成分的電壓，電容如此反復(fù)充放電，從而使負(fù)載上的電壓波動(dòng)大大減小。而集成穩(wěn)壓電路則通過(guò)調(diào)整管、基準(zhǔn)電壓電路、采樣電路和比較放大電路等四個(gè)組成部分來(lái)進(jìn)一步確保輸出電壓的穩(wěn)定。經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓后，家用交流電已轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，并為負(fù)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(biāo)要求

基于上述性能指標(biāo)要求，經(jīng)過(guò)Multisum仿真模擬，給出電路中燈泡正常發(fā)光情況下各元器件型號(hào)參數(shù)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(fù)載變化時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)，從而確保電路工作穩(wěn)定；其容量一般較小，改變其值對(duì)電路影響不大，我們選用100 μF的電容C2。

表1 各元器件型號(hào)參數(shù)的匹配組合

經(jīng)過(guò)對(duì)表1的數(shù)據(jù)整理與分析，我們選用輸出電壓較為平穩(wěn)的“3N246型號(hào)橋式電路、1 mF電容C1、LM7815CT型號(hào)三端穩(wěn)壓器和100 μF電容C2”組合給予進(jìn)一步仿真討論。

2.2 仿真結(jié)果

我們利用Multisim10.0仿真模擬軟件進(jìn)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(wěn)壓器，J1表示開關(guān)，R1表示電阻，LED1表示負(fù)載光源，XSC1和XSC2分別表示示波器。圖中標(biāo)記為XSC1和XSC2的示波器分別測(cè)試穩(wěn)壓濾波前后的電壓信號(hào)，而示波器XSC1的A、B兩個(gè)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(jīng)整流、濾波及穩(wěn)壓的電壓信號(hào)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(jīng)二極管橋式電路整流，電壓信號(hào)已由A通道所示的類方波形交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛葿通道所示的具有一定波動(dòng)的直流電信號(hào)。而圖3(c)表明經(jīng)穩(wěn)壓濾波之后由三端穩(wěn)壓器輸出的電壓被穩(wěn)壓在15 V左右。其中，圖3(c)中0～9 ms波段對(duì)應(yīng)于電路中電容的存儲(chǔ)吸收電能或釋放補(bǔ)償電能的緩沖作用，有益于輸出電壓的平衡穩(wěn)定。

進(jìn)一步地，通過(guò)模擬仿真分析穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能指標(biāo)。一方面通過(guò)穩(wěn)壓系數(shù)Sr反映在負(fù)載不變的條件下當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓的相對(duì)變化量與輸入電壓的相對(duì)變化量之比[9]，另一方面考查在輸入電壓不變的條件下穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響[10]。表2和表3分別為電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)和負(fù)載電阻變動(dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的各輸出電壓值。由表2中電網(wǎng)電壓波動(dòng)在±10%時(shí)的情況，即在輸入電壓分別為198 V和242 V時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓分別為14.733 V和14.751 V，根據(jù)式(1)得穩(wěn)壓系數(shù)為

(1)

該值小于0.05，滿足設(shè)計(jì)要求，且由表2中各數(shù)據(jù)可知輸入在±10%之間變動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的各輸出電壓波動(dòng)均小于0.1 V，穩(wěn)壓效果良好；而由表3數(shù)據(jù)也可以看出，當(dāng)負(fù)載電阻變動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的各輸出電壓波動(dòng)均亦小于0.1 V，穩(wěn)壓效果也較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 R1=4 Ω，電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓值

可見，通過(guò)二極管整流、電容濾波及三端集成穩(wěn)壓，仿真模擬得到了與理論設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致的穩(wěn)定的直流電壓。其中，二極管的單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)了將隨時(shí)間變化的工頻交流轉(zhuǎn)化為單方向的脈動(dòng)直流，電容的隔直通交特性實(shí)現(xiàn)了使輸出電壓接近于理想的直流電壓，三端集成穩(wěn)壓進(jìn)一步地使直流輸出電壓更加穩(wěn)定，且不受外界交流電源電壓波動(dòng)及負(fù)載變動(dòng)的影響。

表3 Ui=220 V，負(fù)載變動(dòng)時(shí)輸出電壓值

3 實(shí)際實(shí)驗(yàn)與結(jié)果測(cè)評(píng)

將各元器件用導(dǎo)線按仿真電路圖連接。其中，在變壓器后加可調(diào)電阻,以使三端穩(wěn)壓器的輸入電壓可調(diào)；在負(fù)載處加可調(diào)電阻，以使負(fù)載輸出電壓可調(diào)，從而保證LED光源兩端的分壓達(dá)額定值而正常發(fā)光。負(fù)載處串接的電阻起到了鎮(zhèn)流的作用，有利于LED照明驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)壓穩(wěn)流[11，12]。圖4為L(zhǎng)ED光源點(diǎn)亮圖及其兩端的電壓信號(hào)波形圖。

圖4 LED光源點(diǎn)亮及其兩端的電壓信號(hào)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(wěn)定直流”的雙級(jí)方案，我們已基本獲得適于LED光源工作的穩(wěn)定直流。然而，以Multisim仿真模擬，根據(jù)負(fù)載輸出電壓與輸出電流等性能指標(biāo)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(wěn)壓器等元器件的規(guī)格參數(shù)是存在一定局限性的。如圖4所示實(shí)驗(yàn)中負(fù)載光源兩端電壓信號(hào)波形的實(shí)際測(cè)評(píng)結(jié)果與經(jīng)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(yīng)用該軟件進(jìn)行電路仿真模擬時(shí)，其結(jié)果只是在選擇各元器件、搭建實(shí)際電路時(shí)作為主要參考，而不能完全取代電路的最終設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要探究了LED直流燈供電穩(wěn)定直流的設(shè)計(jì)原理和思路，從而設(shè)計(jì)消除頻閃的照明電路。我們利用Multisim10.0軟件輔助設(shè)計(jì)和仿真評(píng)估，快速準(zhǔn)確模擬電路中各元器件的參數(shù)指標(biāo)，以得到可靠性評(píng)估結(jié)果。根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)和測(cè)評(píng)檢驗(yàn)，在檢驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，從而使消除頻閃的效果更加明顯。

致謝：感謝華北理工大學(xué)理學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；感謝實(shí)驗(yàn)室主任張占新老師及實(shí)驗(yàn)室所有老師給予的幫助和支持。