LED灯电压特性的研究与应用

李炳华，贾佳，岳云涛，覃剑戈，董青，徐学民

(1.悉地国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013；2.北京建筑大学，北京 100044)

LED灯电压特性的研究与应用

李炳华1，贾佳2，岳云涛2，覃剑戈2，董青1，徐学民1

(1.悉地国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013；2.北京建筑大学，北京 100044)

近年来，LED灯以其节能、高效、寿命长等特点被广泛应用，已开始应用于体育照明。为研究LED灯的电压特性，对7款LED灯进行了试验，测试在电压变化时LED灯的电流谐波畸变率及照度值等的变化情况。通过数据分析可看出，电压在一定范围内变化时，LED灯的照度基本不变，对谐波的影响也有限，这种较稳定的电压特性使得LED灯更适合应用于体育照明。根据分析结果，本文对JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》进行了补充。

LED灯；电压特性；电流谐波畸变率(THDi)；照度；有效电压范围

引言

LED即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED灯有节能、高效、易控、寿命长等优点，已经越来越多的被应用在各种场所的照明中，包括要求非常严格的体育场馆中[1-6]。由于体育照明比一般照明的要求更高，既需满足现场比赛照明的需要又需满足高清电视转播的需要，因此对灯的稳定性、一致性、眩光、频闪等的要求更加严格，LED的优势使其成为体育照明领域的新宠。本研究依托于实际工程需要，前期做了大量试验测得数据，以分析在不同电压水平下LED的谐波及照度值所受影响，从而为LED照明的设计与应用提供理论依据。

1 LED灯的电压特性

1.1电压特性的含义

在实际应用时，由于电网可能出现的不稳定或电力系统某处故障可能引起LED灯的输入电压偏离其正常工作的额定电压，这将会对其电流谐波畸变率THDi、照度值、功率因数(PF)等参数产生影响[7-10]。本试验旨在研究电压变化时，THDi及照度等参数的变化范围及趋势，对LED灯的电压特性进行探究。

1.2LED灯电压特性的试验

为研究LED灯的电学特性，我们测试了7款主流品牌的LED灯，其基本技术参数见表1。在试验过程中使用试验器材和仪表与文献[2]相同。调压器在灯具允许电压范围内调压，使用Fluck 435b多功能测试仪测量不同输入电压水平下LED灯的电流谐波畸变率、功率因数等，并用照度计测量LED灯的相对照度值，试验测量仪器和电路原理见图1和图2。

表1 被测LED灯基本技术参数

图1 试验测量仪器Fig.1 Experimental measuring instruments

图2 电路原理图Fig.2 Schematic of circuit

电流谐波畸变率(THDi)是总谐波电流有效值In与基波电流有效值之比。常以百分数表示。电流谐波总畸变率为

式中In为第n次谐波电流有效值，n为大于1的整数，单位：A；I1为基波电流有效值，单位：A。

在以往的金卤灯电学特性测试试验中其电路谐波畸变率均不理想，在额定电压时THDi相对较高。而LED灯有比较宽泛的电压特性，如表2和图3所示是此7款LED灯在不同电压下的THDi数据，并得出如下结论：

1)这7款LED灯在120～240 V的范围内，THDi处于比较低的水平，均处于15%以下。这个电压范围被称为有效的电压范围。每款灯的有效电压范围是不同的，WJ和TN的有效电压范围相对小些，为120～240 V；PL的有效电压范围为100～240 V；其他为100～260 V。

2)高于有效电压范围时，谐波可能会大幅度增加，灯的绝缘材料也将经受高电压的考验。

3)在有效电压范围内，THDi随着电压的增加呈现出增加的趋势。

表2 不同输入电压值下LED灯的电流畸变率THDi

图3 不同输入电压值下LED灯的电流畸变率THDi折线图Fig.3 THDi line chart of LED lamp under different input voltage values

众所周知，照度是入射在包含该点的面元上的光通量dφ除以该面元面积dA所得之商，单位为勒克斯(lx)，1lx=1 lm/m2。表3和图4所示是此7款LED灯在不同电压下的照度值。又因为照度与光通量成正比，所以本试验通过测量不同电压下的照度值同样可以反映出电压与光通量的特性关系。

图4 不同输入电压值下LED灯的照度折线图Fig.4 Line chart of illuminance of LED lamp under different input voltage values

从表3和图4可得：除TN外，其他LED灯在其有效电压范围内光输出相对稳定。

1.3LED灯电压特性的分析

根据试验所测得的数据，可以简要分析LED灯的电压特性如表4所示。

表3 不同输入电压值下LED灯的照度值

表4 7款LED灯THDi与照度值随电压升高变化趋势

注：表中的照度变化率=[(Emax-Emin)/Emax]×100%

由以上分析对比可看出本次测试的7款灯具大多具有良好的电压特性，输入电压在较大范围内(多款可从100～275 V)能保持照度基本不变，除PL型LED灯外，照度变化率均低于10%。在额定电压±10%范围内变化时(即190～242 V)，照度变化率不足2.5%。其中XN型灯具的电压—照度特性表现最好，调压范围较大且照度变化率最小。预测在实际比赛场地等应用场所中，电压在一定范围内变化不会对照明的视觉效果产生太大的影响。另外，TN型灯具在电压由低升高过程中和由高降低过程中表现不同且低电压范围模组无法全亮，需后续进一步试验进行分析。

除个别极端状态(输入电源在260 V及以上)外，电压增加，谐波略有变化，总体呈现上升趋势。所测产品的最大THDi值均在15%以下，因此这7款灯具在电压变化时对于谐波的控制表现良好。除TN型LED灯外，其余6款灯具在额定电压下的THDi值均处于较低水平。

本次试验还测试了电压变化时电流和功率因数的变化，可看出各试品随着电压的增加电流呈现减小趋势，功率因数PF相对稳定，表现优秀，均在0.93以上。

2 LED灯电压特性的应用

现行标准《体育建筑电气设计规范》(JGJ 354—2014)第3.5.2条规定了比赛场地使用金卤灯端子处的电压偏差允许值，其中特级和甲级体育建筑宜为±2%；乙级及以下等级的体育建筑应为±5%。由于金卤灯的电压特性欠佳，在电压偏离额定电压范围较大时，照度及谐波所受影响也较大，因此为确保照明效果对电压偏差允许值要求较高。

通过测试，LED灯在有效电压范围内对光输出的影响可以忽略不计，对谐波的影响也不大。因此，在体育照明中LED灯的电压偏差允许值不必像金卤灯的要求一样严格，满足一般照明对电压要求即可，即LED灯具端子处的电压偏差允许值宜为±10%，但同样应避免灯具端子处电压过高或过低。

3 结论

研究LED灯的电压特性对LED灯在实际应用中的供电要求有着重要的意义。通过对7款不同型号的LED灯进行电压特性试验，测试了不同电压水平下电流谐波畸变率THDi、照度值、电流等数据及其变化规律，分析得出在有效电压范围内对LED灯光输出的影响基本可以忽略不计，对谐波影响也较小。相较于金卤灯的电压特性有无比的优势。

[1] 体育建筑电气设计规范：JGJ 354—2014[S].北京：中国计划出版社,2014.

[2] 李炳华，覃剑戈，董青，等. LED灯启动特性的研究与应用[J]. 照明工程学报, 2017，28(4)：126.

[3] 李炳华,董青.体育照明设计手册[M]. 北京：中国电力出版社, 2009.

[4] 华楚霞. 大功率LED路灯散热器的研究与优化[D]. 深圳：广东工业大学, 2014.

[5] 林若慈, 王飞翔，高雅春.体育场馆照明现状分析及展望[J]. 照明工程学报, 2016，27(2):4-27.

[6] 杨波. LED在体育照明中的应用[J]. 照明工程学报, 2016, 27(4):132-139.

[7] 吴会利, 郑莹. 光敏二极管电压特性研究[J]. 微处理机, 2016, 37(4):16-18.

[8] 王琪. LED 电气特性测试仪设计与实现[J]. 微处理机, 2015(3):82-85.

[9] 董超. 紧凑型荧光灯在方波电压及某些非正常供电情况下的特性[J]. 电光源, 1990：31-34.

[10] 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册[M]. 北京：中国电力出版社, 2006.

ResearchandApplicationofVoltageCharacteristicofLEDLamp

LI Binghua1, JIA Jia2, YUE Yuntao2, QIN Jiange2, DONG Qing1, XU Xuemin1
(1.CCDIGROUP，Beijing100044,China; 2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitectureization,Beijing100044,China)

In recent years, LED lamp has been widely used for its energy saving, high efficiency and long-life, especially in sports lighting. In order to study the voltage characteristics,7 different LED lamps were tested to test the current harmonic distortion rate and illumination value of LED lamps under voltage changes. Through the data analysis, we can see that when the voltage changes in a certain range, the illumination of the LED lamp is basically unchanged, and the influence on the harmonic is limited. This stable voltage characteristic makes LED lights more suitable for sports lighting.According to the analysis results, this paper finally makes a supplement to JGJ 354—2014.

LED lamp; voltage characteristic; THDi; illumination; effective voltage range

TM923

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.010