2.2 电容降压限流

LED是直流负载，在交流电网中使用时，首先要把交流电变为直流电，这就需要整流电路。一般情况下，为了提高电源的利用率，整流电路常采用全波整流方式，通过整流桥把交流电变换为频率2倍于工频的正弦半周波（脉动的直流）。这时如果直接给LED供电，会产生什么问题呢？正弦半周波电压是连续变化的，若接上线性负载则其瞬时功率也是连续变化的，对于像白炽灯这样的线性负载，由于其发光来源于热辐射，亮度的变化具有热惯性，人的眼睛感觉不明显，而LED的响应非常快，亮度的变化紧跟电压的变化，并且在正弦电压变化过程中，存在电压小于LED开启电压的死区，LED就会产生人眼易于觉察的2倍于工频的闪烁现象，由于LED的发光不存在热惯性和余辉，故这种闪烁现象比荧光灯的闪烁还严重。

为了解决闪烁问题，需要将整流后的脉动直流电加以滤波，使之变成较平滑的直流电，这通常需要一个容量较大的电容器。

交流市电在一些供电条件不良的环境中，电源电压的波动非常大，上下波动20%甚至更高的情况经常出现，整流滤波后的直流电压范围仍可在200～370V之间变化。在电压比较稳定的地区，电压一般在300V左右。这样高的电压，需要多达近100只的LED串联才能使用，数量众多的LED串联会大幅度降低电路的可靠性，且难以满足不同功率规格的要求，因此，有必要采取降压限流的手段。2.1节所述的电阻降压限流具有电路简单的特点，但也存在能耗大、发热严重，甚至有引起火灾的危险，不适用于这种电压波动较大的电路。另一种典型的降压手段是采用变压器，但工频变压器体积大、笨重，成本也高，相比之下采用电容降压是一种较好的选择。

2.2.1 电容降压限流原理

在交流电路中，电容具有一定的阻抗特性，即

例如，在220V/50Hz交流电下，容量为1μF的电容的容抗约为3.2kΩ。

因此，电容在交流负载电路中，就相当于一个电阻，将起到串联降压限流作用。

如图2-7所示，理想电容由两个相互绝缘但相距很近的导电体组成，中间填充绝缘材料，因此电容内部没有电流通过。但通过电容的充电和放电过程在电容外部回路中就会形成电流，因此利用电容降压限流必须在交流负载回路中才能应用。而LED是直流负载，它具有单向导电性，也就是说，电容充电后无法放电，因此不能形成持续的电流，所以图2-8所示的电路是无法正常工作的。要使电容能正常充放电，LED必须双向连接，或采用图2-9所示的整流电路把交流电变成直流电，再给LED供电。

在图2-9中，整流桥把交流和直流分成两部分，输入侧为交流电，输出侧为直流电，在正弦波输入电压下，正半周和负半周LED都有电流，因此交流侧的电容就可以不断充电和放电，起到降压限流的作用。图2-9中整流桥输出的电压为正弦半周波，电压的大小是周期性变化的，因此LED会出现2倍于工频的闪烁现象。为了克服这一缺点，要尽量使输出的直流电压保持稳定平滑，这就需要进行滤波，实际应用中的电容降压限流的LED驱动电路原理如图2-10所示。

该电路的工作波形如图2-11所示。

如图2-11所示，整流桥交流侧为正弦交流电压，经整流后输出电压为正弦半周波，加上滤波电容 C ₂ 后，在不接入负载LED的情况下，电容将逐渐充电达到正弦半周波的峰值，然后一直保持不变（理想直线），这是因为电容 C ₂ 充电后没有放电回路。若接上负载，则电容 C ₂ 每个正弦半周期的后半段（输入瞬时电压下降时）向负载放电，因此 C ₂ 的电压有起有伏，形成纹波。

图2-10中，交流市电经电容 C ₁ 降压限流，整流桥整流变成脉动直流电，再经 C ₂ 滤波后变为较平滑的直流电供LED使用， R ₁ 为电容 C ₁ 的泄放电阻，用于在断电后把 C ₁ 的电荷放掉以确保用电安全， R ₂ 浪涌电流的抑制电阻用于保护整流桥不被浪涌电流损坏。

若交流市电为50Hz正弦波电压，则当交流电流过电容 C ₁ 时， C ₁ 对于交流电的容抗为

若把这个1μF的电容直接接在交流电的相线与中性线之间，则流过电容的电流有效值为

也就是说，在图2-10所示电路中，即使LED串短路，流过 C ₁ 的电流也不超过69mA，因此，电容 C ₁ 起到了限流作用。电流流过电容，由于容抗的存在，在电容上会产生电压降，故电容也起到降压的作用。

2.2.2 电容降压限流驱动电路的计算举例

【例2.3】 设计一个电容降压驱动的LED灯，输入电压为220V/50Hz，输入功率为3W，LED灯板由40颗3014贴片LED串联构成，LED灯珠的工作点为3.2V/20mA，试计算和选择电路中各元器件的参数。

解 根据题意，画出电路原理图如图2-12所示。令输入电压有效值为 U ₁ ，电容 C ₁ 电压降为 U _C ，整流桥交流侧两端电压有效值为 U ₂ ，整流桥直流侧输出直流电压为 U ₃ 。

1）确定LED的参数。

U _LED =40×3.2V=128V

P _LED =128V×0.02A=2.56W

2）计算和选择 R ₂ 。电路中除了LED灯珠外，其他损耗主要由 R ₂ 产生，因此有

R ₂ 的作用主要是抗浪涌，精度不需要很高，故可选择1.1kΩ的碳膜电阻。

3）计算和选择 C ₁ 。整流桥输出直流电压为

U ₃ = U _LED +U _R2 =128V+0.02A×1100 Ω= 150V

由于整流桥的电压降很小，所以若忽略不计，则整流桥输入侧的电压有效值约为

电容 C ₁ 的电压有效值为

U _C = U ₁ -U ₂ =220V-106V=114V

电容 C ₁ 的容抗为

根据电容容量与容抗的关系有

可选择容量为0.47μF，额定电压AC 250V的无极性电容器，常用CBB电容较多。

4）计算和选择 C ₂ 。 C ₂ 两端电压的波形如图2-13所示。

假设电压纹波为峰值的20%，根据电容储能特性，电容每个周期释放的能量为

假设LED的能量全部由电容 C ₂ 提供，则 C ₂ 每个周期补充的能量为

根据能量守恒可知

ΔW _C吸 = ΔW _C放

解方程得

可选择容量为10μF，额定电压200V以上的铝电解电容。

5）计算和选择整流桥。整流桥的参数主要包括二极管的额定电流和额定电压。由于二极管是轮流导通的，每次只有其中两只导通，因此电流有效值和平均值相对于LED而言大致减小一半，即约10mA。但是由于 C ₂ 上电瞬间充电电流很大会产生浪涌，因此整流桥的二极管额定电流不能仅仅根据正常工作的电流大小选择，还要根据工作环境考虑其抗浪涌的能力。例如，1N400X系列的整流二极管额定电流为1A，可以承受的浪涌电流高达30A，能满足一般小功率LED灯泡应用。对于整流二极管承受的反向电压的分析相对复杂一点，如图2-14所示，从输出端来看，由上面的分析可知整流桥输出直流电压为150V，四只二极管可看作分为上下两条支路并联，因此每条支路总电压为150V，每只二极管承受反向电压为75V；从输入端来看，由上面的分析可知整流桥输入电压交流有效值为106V，峰值为150V，四只二极管可看作分为左右两条支路并联，每条其中一只二极管导通，另一只二极管反向截止，忽略导通二极管的正向电压降则截止的二极管将承受全部输入电压，即交流有效值为106V，峰值为150V，根据这些数据可以选择合适的整流二极管型号。

图2-15所示为普通1N400X系列整流二极管的极限参数表。表中第一行为直流峰值反向电压，可见1N4003之后的型号均可满足要求（大于150V）；第二行为交流峰值反向电压，1N4003之后的型号均可满足要求（大于150V）；第三行为交流有效值，1N4003之后型号可满足要求（大于106V）；第四行为正常工作时的平均电流，所有型号都可满足要求；第五行为浪涌电流，所有型号都可满足要求；第六行为结温和储存温度。由此可见，选择1N4003之后的型号均可满足本例中的设计要求。

6）计算和选择 R ₁ 。 R ₁ 并联在 C ₁ 两端，用于关灯掉电时把 C ₁ 的电荷释放掉，避免 C ₁ 两端保留高压产生安全隐患。 R ₁ 的阻值要远大于 C ₁ 的容抗，以免产生不必要的损耗和发热， R ₁ 的选择主要是设置一个合适的放电时间即可。

图2-16所示为电容充放电电压变化与时间常数的关系曲线，其中时间常数定义为 τ=RC 。一般认为电容充电时间达5 τ 时电压基本达到峰值（充满），而放电时间达到5 τ 时电压基本为零。假设希望 C ₁ 的电压在1s内降到零，则有5 R ₁ C ₁ =1，即

由此，可选择阻值为430kΩ的电阻。由于其功耗很小，为了便于焊接，可选择合适的尺寸规格，例如额定功率1/4W的金属膜电阻或贴片电阻等。

至此电路中所有元器件的参数和型号均已确定，上述步骤给出了一种实用的设计和计算思路，仅供参考。图2-17所示为一款常见的电容降压限流LED灯泡的结构和电路。

2.2.3 注意事项

LED直接接电池或串联电阻接电池（或稳压电源）的电路最简单，利用电容器降压限流也是交流市电驱动LED的比较简单的方法。这种方法材料成本低，相比电阻限流降压而言，虽然电容也是串联在LED回路中的，但是电容在充放电过程中可为后面的电路提供电流通路，且所提供的电流有效值的大小取决于电容的容量，电容不会像电阻那样消耗功率，因此电源的效率较高，一般可以达到80%，也不存在产生大量发热的现象，相对更安全。在电容的选择上，一定要采用耐压足够高的无极性电容（如薄膜电容），并要考虑电源电压的波动，留有足够的余量。因为耐压不足会使电容鼓包、发热，甚至熔化、短路等现象，产生危险。另外，由于整流桥后采用了大电解电容滤波，浪涌电流较大，所以必须使用抗浪涌的限流电阻，这个电阻也会产生一定的功耗，因此要选择耗散功率足够大的电阻，有时为了提高效率，这个电阻可采用具有负温度系数的热敏电阻（NTC）。其特点是在上电时阻值比较大，可以抑制浪涌电流，当有电流流过时，由于发热而阻值迅速变小，以减小损耗。另一方面电容降压限流电路只适用于小功率小电流的LED驱动，因为大功率LED驱动（如超过100mA）需要电容量很大的电容，电容器的体积也很大，这时电容器的成本加上其他元器件的成本将接近甚至高于采用开关电源的成本，一旦电阻限流或电容降压限流电路失去了成本优势就失去了使用价值。这就是功率稍大的LED驱动电路不采用电阻限流或电容降压限流的主要原因之一。

电容限流用于交流电网供电的LED驱动，具有成本低、电路简单的优点，特别适用于小功率（3～5W）的球泡灯。但是电容降压限流电路具有一个致命的弱点，就是功率因数低，主要原因是因为流过电容的电流是不连续的，而且导通角很小。这主要是因为电容是通过交流电对其不断充放电的过程来导电的，电容的容量越小，充放电的时间越短，则流过的电流有效值越小。而功率因数的大小取决于导通角的大小，导通时间越短，导通角越小，功率因数就越小，由于降压限流的电容容量一般较小，因此充放电时间很短，电流导通角很小，功率因数很低，通常只有0.2～0.5。功率因数越小，意味着对电网电能的利用率越低，这样会增加供电部门的供电成本。同时，很窄的电流脉冲会产生较多谐波分量，对电网造成污染，影响其他用电设备的正常工作。随着电子产品的大量使用，很多国家已经对用电器的电磁干扰进行限制，低的功率因数和高的谐波失真达不到相关国家制定的标准，无法满足相关国家的市场准入条件，不能使用。因此，采用电容降压限流的LED只能在要求不高的范围内有限度地使用。 q1GRCKjiGKeSQuupzc4JJ5CIf/uvubfD9VDQHqBXxKDQhBZpitnssOyNziEIAM1i