原创 AC直接驱动LED的问题

LED本来是一个二极管，二极管当然可以直接加交流电，整流二极管就是直接加交流电的，只是一般的LED耐压比较低，所以需要用数量足够多的LED串联，使其耐压足够就可以了。和整流器不同的是，整流器的输出还有负载，而LED本身就是负载，而不会再接别的负载了。为了使正负两个半周都发光，就要求至少用两串相反并联就可以工作了（图1）。

图1. 很多LED串联以承受220V的高压

220V是交流电的有效值，而要承受的是峰值，所以还要乘以1.414，等于311.08V。假如每一个LED的正向电压是3.3V，那么总共需要94颗LED。负半周也一样所以一共需要188颗。这种结构有几个问题，
1.    最大的问题是在所有时间里只有一半的LED在工作，虽然说起来，寿命提高了一倍，但是要达到同样的亮度，价钱就要贵一倍，用户是很难接受的。
2.    虽然总体看来，LED是连续发光的，但是因为任何一个LED在50Hz的一个周期里只在半个周期里工作，所以还会有50Hz频闪的感觉。
3.    由于交流电压是正弦波，所以流过LED的电流也是正弦波，对LED的利用率不像直流电利用那么高。也就是总体平均的光输出，没有像同样幅度的直流电那么高。
4.    要求交流电的电压稳定度要足够地高，因为LED的伏安特性很陡，10%的电压变化就会引起很大的变化(图2)。例如正向电压从3.3V变到3.6V，电流就从20mA增加到34mA，增加了70%之多。而交流市电的稳定度是很差的。尤其在农村地区就更差，+/—20%是经常发生的事。首尔半导体把他们的产品分为100V，110V，220V，和230V，四种规格。显然它们对电源电压是很敏感的。220V的产品不能用到230V去，或者说，虽然也可以工作但是很容易引起光衰而使得使用寿命大大缩短。但是市电是不可能有这么高的稳定度的。

图2. 小功率LED的伏安特性

为了解决LED只有一半时间在发光的问题，一个最简单的解决方案就是把LED连接成桥式整流电路的形式（图3）。

图3. 连接成桥式的交流LED

但是即使如此连接，也只有中间那一串是全部时间发光的。其他四个臂也都只有一半时间发光。这反而会引起一个新问题，那就是中间那一个臂会比其他臂的寿命短一倍，如果由于这一串坏掉而使整个灯具不能工作，显然也是得不偿失的。所以也不是一个好方法。

真正能够解决这个问题的唯一办法是先用桥式整流把交流整成直流（图4）。

图4. 先把交流整流成直流再点亮LED

在这个方案中，还加上一个稳压管，以保证输出电压稳定在100V。（这个电路是用于110VAC输入的，假如改成220VAC，那么就应该是200V的稳压管，输出稳定在200V）。这样做的确不但解决了正负半周都导通的问题还可以解决市电不稳的问题。但是，这种方案已经很难再称为交流LED了，因为实际上是在用直流供电。而且采用稳压电源供电会引起光衰的问题，还是应当采用恒流源供电。那么就完全是普通的直流LED的供电，而根本不能算是交流LED了。

为了避免由于市电不稳而引起电流变动，还有一个办法是串联一个电阻来限流（图5）。

图5. 采用串联限流电阻来解决由市电不稳而引起电流过大问题

韩国首尔半导体的AX3221/AX3231几种交流LED所需的串联电阻数值如下表所示：

对于220V来说，所串联的电阻值在1.5K-2K范围内。用串联电阻来限流是能够起一定作用的，例如这款AC LED的工作电流是20mA，1.5K电阻上的压降是30V，也就相当于当220V的电压上升了30V时，还能保持LED的电流为20mA。但是这种方法也存在3个缺点：
1．    如果电压为正常的220V，那么加到LED上的电压就会低30V，使得LED不能有效地利用。
2．    它会消耗一定的功率，例如，当电流为20mA时，1.5K电阻将损耗0.6W；
3．    它也不能彻底解决因结温增加而引起的电流增加而使光衰加速的问题。这个问题可以用图6来解释。

图6. 限流电阻无法彻底解决因温升而引起的电流增加问题

假定环境温度为25度，采用恒压电源V1供电，刚加电时，其正向电流为I1=20mA。随着加电时间的增加，其结温也逐渐增加，由于LED伏安特性的温度系数为负的，也就是当结温增加时，其伏安特性会左移。图中假定T2=85度，假如用恒压电源供电时，其正向电流就会从I1增加至I2。如果用一个电阻限流，它在常温下电流为I3，结温升高至85度以后，电流增加至I4。虽然电流增加的幅度要比不串电阻时为小，但是仍然不可能完全消除由结温升高而引起的正向电流的增大。而这种效应也是引起光衰的一个很重要的原因。要彻底解决这个问题，唯一的方法是采用恒流电源供电。那么这样交流的LED就和直流的LED没有任何不同了。

所以说，虽然加上限流电阻可以限制电流的增加，但还是会引起光衰而使得使用寿命缩短。首尔半导体宣称，他们的这种交流LED有35,000小时以上的工作寿命（图7）。不过，图中只显示了寿命和结温的关系，这也许是可能的。但是如何来保证它的结温一定能低于90度（尤其是在没有任何恒流驱动的情况下）就是一个大问题。

图7. 首尔半导体的交流LED的工作寿命。

总结起来，交流LED的问题主要有6个：
1．    因为只有一半LED在工作，所以价钱要比普通LED贵。虽然它可以省去恒流电源的费用，但是目前这一半LED的价格可能要比恒流源的价格还要高。
2．    由于通过LED的电流为正弦波，所以它对LED的总体利用率就不如直流LED为高，首尔半导体宣称它的发光效率为75lm/W（不知道有没有计入串联电阻的功耗），而现在的直流LED发光效率早已超过100lm/W了，就算再计入恒流源的效率80%，那么也有80lm/W。
3．    直接采用市电，相当于采用一个恒压电源。因而它的光衰会比较严重。
4．    加上限流电阻，虽然可以使它不易损坏，但是也增加了功耗，AX3221/AX3231本身功率是4W，电阻功耗为0.6W，占15%，也就是说，采用限流电阻以后，它的效率要降低15%。
5．    不仅如此，由于加限流电阻以后会增加功耗，所以它不能应用至大功率场合。因为功耗是和电流的平方成正比，假如采用94个1瓦的LED串联，它的正向电流0.35A，平方就是0.1225，几百欧姆电阻就是好几十瓦的功耗，这是完全不能允许的。所以这种交流LED是无法做成大功率灯具的。
6．    由于是交流电直接加到LED上，所以它相当于非隔离电源，具有触电的危险。需要通过安规。

当然，有一点还是可以肯定的，就是假如直流LED选用了一个寿命低于交流LED寿命的恒流电源，那么它的寿命还是要比直流LED灯具的寿命为高。

(上海龙茂微电子有限公司    茅于海)