地鐵車輛中電容元件對負(fù)載性能的影響

王詩遠(yuǎn) 蔣巧

摘 要：文章在簡述客室LED燈燈帶故障原因及解決方案的基礎(chǔ)上，分析了LED燈工作原理和電路結(jié)構(gòu)，并且更進一步的研究和分析了線路中電容元件對于負(fù)載性能的影響。

關(guān)鍵詞：LED燈;電容;負(fù)載性能

曾出現(xiàn)如下故障：將照明供電模塊接入一外接低壓直流電源（額定參數(shù)110V、10A，電壓可調(diào)節(jié)，最大允許電流10A）。結(jié)果，電源為客室內(nèi)部照明供電模塊供電時，客室LED燈出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。在檢查了供電模塊工作狀態(tài)后，排除了供電模塊故障的可能。隨后查看外接電源狀態(tài)時，發(fā)現(xiàn)電源電壓顯著降低，電流明顯增大。在為該車更換了參數(shù)為110V、30A的直流穩(wěn)壓電源，將最大供電功率提升到了3倍后，客室LED燈可正常工作。

本文針對該故障，從電路組成、元件性能的角度分析了其原因及解決方案。

1 LED燈工作原理

1.1 LED燈結(jié)構(gòu)

LED燈的主體即一個半導(dǎo)體晶片，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，它們之間形成一個P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，即燈珠點亮。

1.2 LED燈驅(qū)動電路

LED電路具有3個核心組成部分：LED燈珠、驅(qū)動電源、散熱器及結(jié)構(gòu)件。其中的驅(qū)動電路大部分都采用了輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路。為了將輸出電壓限定在允許范圍內(nèi)，同時也為了保持輸出電流的平滑，這兩種濾波電路中都使用了大容量電容。

2 電容對于負(fù)載電路的作用

鑒于對LED燈電路結(jié)構(gòu)的探究，可判斷出問題出自驅(qū)動電路。作為無源元件的電容，在電路中的作用主要如下：

2.1 濾波

由于電容的兩端電壓不會發(fā)生突變，那么當(dāng)電路交流成分處于由谷值進入峰值的狀態(tài)時，電容就會吸收溢出的電能，降低線路電壓;當(dāng)電路交流成分處于由峰值進入谷值的狀態(tài)時，電容就會補充不足的電能，提升線路電壓。所以，濾波就是電容充電，放電的過程。

2.2 儲能

儲能型電容器也可通過整流器收集電荷，并將存儲的能量傳送至電源的輸出端。根據(jù)不同的電源要求，接線方式也會進行相應(yīng)的更改。常見的電容器包括：電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000uF之間的鋁電解電容器以及用于高功率設(shè)備的罐形螺旋端子電容器。

3 分析

通過對LED燈結(jié)構(gòu)和電容功能的分析，得出結(jié)論：正是因為照明供電回路中LED驅(qū)動芯片的電容成分導(dǎo)致了燈光閃爍的現(xiàn)象。在LED燈驅(qū)動電路開始通電時，芯片管腳上的電容會有一個快速充電的過程（這個過程的持續(xù)時間是200ms），因此會對線路電流造成一個相當(dāng)大程度的抬升。若電源的功率不足，滿足不了啟動功率的需要（即最大電流比啟動電流要?。敲碙ED電路就會不斷地進行啟動—關(guān)斷—再次啟動—再次關(guān)斷這樣一個循環(huán)的過程，最終會出現(xiàn)照明閃爍的現(xiàn)象。隨后進行的驗證實驗充分證明了結(jié)論的正確性。

4 實驗過程

實驗過程分為3步：

（1）關(guān)閉30A的直流電源，設(shè)置10A的直流電源電壓為110V，將其接入電路。觀察到客室LED燈閃爍現(xiàn)象。去除其中2個照明供電模塊，只為一半的照明供電時，10A可以正常啟動照明電路。

（2）將30A與10A的電源同時接入電路。先啟動30A電源，設(shè)置電壓為110V，客室照明正常點亮，使用鉗形電流計測量電源輸出電流為4.9A;隨后打開10A電源，然后將30A電源關(guān)閉，觀察到客室照明仍繼續(xù)正常工作。

（3）將金屬水壺改造為小電阻，串入電源輸出端。（示波器只能測量電壓的變化，若想得知電流的狀態(tài)，則必須利用純阻性負(fù)載的伏安特性，將電流的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載兩端電壓的變化。）單獨使用10A電源啟動照明負(fù)載并用示波器測量改造電阻兩端電壓，得到一個震蕩波形。

該實驗充分說明了LED負(fù)載的啟動功率與工作功率的關(guān)系。在LED負(fù)載啟動的瞬間，因電容充電儲能，電路的電流會有一個突然增大的現(xiàn)象。由于工作電壓是恒定的，那么啟動功率會遠(yuǎn)大于工作功率。如果有一個大功率電源能夠在短時間內(nèi)滿足啟動功率，讓LED燈進入正常工作狀態(tài)，此時將大功率電源換成一個小功率電源依舊可以維持負(fù)載正常運作。依照實驗數(shù)據(jù)判斷，啟動功率是正常工作功率的3到4倍。

5 電源改造方案

通過分析實驗，可確定LED燈故障是因為10A電源不足以負(fù)荷啟動功率而造成的。遂提出以下方案。

5.1 10A直流電源線路改造

在LED供電回路兩端并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，同時電源和照明供電模塊之間串入一限流電阻，電源輸出端并聯(lián)一個電容以補充輸出功率，調(diào)高外接直流電源的電壓值來增大電源總功率。穩(wěn)壓二極管與發(fā)光二極管反向并聯(lián)，起保護作用。一旦發(fā)光二極管正向壓降過大，超出了穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，穩(wěn)壓二極管就會將發(fā)光二極管短路。而限流電阻主要是為了分壓以達(dá)到限制線路電流大小的目的。負(fù)載功率的增大是因為并聯(lián)電容的儲能作用可以補充電能到干路中去，使輸出電流可以更大，以達(dá)到提高輸出功率的效果。

5.2 車間配電房24V直流輸出線路改造

車間配電房輸出的24V直流電存在很大的交流諧波成分，經(jīng)示波器測量電源輸出波動很大，峰值可達(dá)到50V，這無疑會燒壞額定輸入為24V的設(shè)備。為了得到穩(wěn)定的輸出波形，可以在直流電源的輸出端并聯(lián)一個電容，利用其濾波的作用將線路中的“毛刺”即交流成分轉(zhuǎn)化為直流輸出。為了增強線路的穩(wěn)定性并進一步降低輸出端電壓，輸出端還需并聯(lián)一個電阻。

6 結(jié)論及思考

綜上所述，故障是由于LED燈驅(qū)動電路里的電容元件充電，導(dǎo)致外接電源無法滿足啟動功率需求而造成的。因此，相應(yīng)線路的線纜、斷路器、電源容量的選擇，需要在標(biāo)稱值的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高。如不能滿足線路設(shè)備啟動功率的需求，可參考三相電機進行降壓啟動，即犧牲瞬時功率來保證線路的平穩(wěn)運行。

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