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230V LED 驱动电路

1. 230V LED 驱动电路原理​

本项目设计了一个简单的 230 V LED 驱动电路，能够直接从市电驱动 LED。

LED 是一种特殊类型的二极管，用于光电设备。与 PN 结二极管类似，当正向偏置时它导通。然而，这种器件的特殊功能是能够在电磁波谱的可见频段发射能量，即可见光。

驱动 LED 的主要难点是提供几乎恒定的电流输入。通常使用电池或诸如微控制器之类的控制设备驱动 LED。然而，这些方式各有不足，例如：电池寿命短等。

1.1. 230V LED 驱动电路概述​

一种可行的方法是使用 AC–DC 电源直接驱动 LED。尽管使用变压器的 AC 到 DC 电源广泛流行并被广泛使用，但在驱动 LED 等负载时，其成本较高，而且使用变压器很难产生低电流信号。

考虑到这些因素，这里我们设计了一个简单的电路，可以直接从 230 V 交流市电驱动 LED。这是通过基于电容器的电源实现的。该电路成本低、效率高，适合家庭使用。

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1.2. 230V LED 驱动电路原理​

该 230 V LED 驱动电路的基本原理是无变压器电源。主要元件是 X 型电容器（X-rated AC capacitor），它能将电源电流降至合适水平。这些电容器串联连接于线路，用于高压交流电路。

X 型电容仅降低电流，交流电压将在后续电路中整流和稳压。高电压低电流的交流通过桥式整流器整流为高压直流，接着使用齐纳二极管将高压直流稳压至低压直流。

最终，将低压低电流的直流供给 LED。

2. 230V LED 驱动电路图​

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3. 所需元件​

  • 2.2 µF 聚酯薄膜电容器 (225J – 400 V)
  • 390 kΩ 电阻 (¼ 瓦)
  • 10 Ω 电阻 (¼ 瓦)
  • 桥式整流器 (W10M)
  • 22 kΩ 电阻 (5 瓦)
  • 4.7 µF / 400 V 极化电容器
  • 10 kΩ 电阻 (¼ 瓦)
  • 4.7 V 齐纳二极管 (1N4732A) (¼ 瓦)
  • 47 µF / 25 V 极化电容器
  • 5 mm LED（红 – 弥散型）

4. 如何设计 230 V LED 驱动电路？​

首先，将 2.2 µF / 400 V 的 X 型电容器串联接入市电。必须选用额定电压高于电源电压的电容器。此处电源电压为 230 V 交流，因此使用了额定 400 V 的电容器。

一个 390 kΩ 电阻并联于该电容器，以便在断电后放电。一个 10 Ω 电阻作为保险丝，连接在电源与桥式整流器之间。

下一部分电路是全波桥式整流器。我们使用了单片整流器 W10M，其能够处理高达 1.5 A 的电流。桥式整流输出通过 4.7 µF / 400 V 的电容器滤波。

为了调节桥式整流输出的直流电压，我们使用了齐纳二极管。此处使用 4.7 V 齐纳二极管 (1N4732A)。在齐纳二极管之前串联了 22 kΩ（5 W）电阻以限流。

稳压后的直流经过 47 µF / 25 V 电容器滤波后再供给 LED。

5. 230V LED 驱动电路如何工作？​

这是一个简单的无变压器 230 V LED 驱动电路。本项目的主要元件是 X 型电容器、齐纳二极管以及限流齐纳二极管的电阻。下面介绍其工作原理。

首先，2.2 µF X 型电容器 (225J – 400 V) 将限制市电的交流电流。要计算该电流，需使用 X 型电容的容抗。

电容容抗的计算公式如下：

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因此，对于 2.2 µF 的电容，XCX_C 可计算如下：

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根据欧姆定律，电容允许的电流为 I=VRI = \frac{V}{R}。

因此，通过电容器的电流为：

I=2301447.59=0.158 安培=158 mAI = \frac{230}{1447.59} = 0.158\ \text{安培} = 158\ \text{mA}

这是进入桥式整流器的总电流。现在，其输出通过电容滤波...

考虑到桥式整流器输入为 230 V 交流 rms（有效值），其峰值电压为：

VMAX=VRMS×2=230×1.414=325.26 VV_{\text{MAX}} = V_{\text{RMS}} \times \sqrt{2} = 230 \times 1.414 = 325.26\ \text{V}

因此，需要使用额定 400 V 的滤波电容器。整流后的直流电压约为 305 V。此电压必须降至可驱动 LED 的范围，因此使用齐纳二极管。

所使用的 4.7 V 齐纳二极管作为稳压器。有三个关键参数与齐纳二极管相关：串联电阻、该电阻的功率额定、以及齐纳二极管的功率额定。

首先是串联电阻。该电阻将限制通过齐纳二极管的电流。选择串联电阻可使用以下公式：

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其中 VINV_{IN} 是流入齐纳二极管的电压，即约 305 V； VZV_Z 为齐纳电压（也即负载电压 VLV_L），等于 4.7 V； ILI_L 为负载电流，即通过 LED 的电流，取 5 mA； IZI_Z 为通过齐纳二极管的电流，取 10 mA。

因此，串联电阻 RSR_S 的值可计算如下：

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接着是串联电阻的功率额定。该电阻的功率额定十分重要，因为它决定了电阻能耗散多少功率。可使用以下公式计算：

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最后是齐纳二极管的功率额定。可使用以下公式计算其功耗：

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基于上述计算，我们选择了 22 kΩ、5 W 的串联电阻，以及额定 1 W（实际上 ¼ W 齐纳就足够）的 4.7 V 齐纳二极管。

整流和稳压后的电压、通过限流的直流电流最终供给 LED。

6. 优点​

  • 通过该 230 V LED 驱动电路，我们可以直接从主电源驱动 LED。
  • 本项目基于无变压器电源，因此最终构建体积较小。

6.1. 应用场景​

  1. 本电路可用于家庭照明系统。
  2. 可用作指示电路。
  3. 可将本电路安装在门铃上作为指示用途。

6.2. 局限性​

  1. 由于直接使用 230 V 交流电源，电路可能存在危险性。
  2. 本电路最适用于使用单相电源的家庭应用。因为在三相电源情况下，如果某相误触输入端可能会十分危险。
  3. 在市电波动时，电容可能会产生尖峰（冲击电压）。