印度古尔冈地铁增购项目客室LED灯照明故障原因分析及改进方案

刘拴奇 叶明雪

摘 要：文章简要介绍了印度古尔冈地铁增购项目客室LED灯照明出现的故障现象以及改进方案。希望通过文章的概括分析，为今后的相关内容研究提供参考。

关键词：电阻；电容；电感

中图分类号：TM923.34 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0017-02

Abstract： This paper briefly introduces the malfunction phenomenon of LED lamp lighting in the passenger room of the Gurgaon Metro's additional purchase project in India and the improvement scheme. It is hoped that through the general analysis of the article， it will provide a reference for the future research of relevant content.

Keywords： resistance； capacitance； inductance

1 概述

印度古尔冈增购项目在运营三个多月后，发现客室照明LED灯板如图1所示，故障灯板基本都是两排灯珠不亮。经过检查发现LED故障现基本为单串回路的第一颗LED成开路，或者高阻抗状态，导致LED不亮或者微亮。

2 故障原因及分析

2.1 故障原因

实验发现，在单颗LED两端有反向30多伏尖峰电压（见图2），而LED的反向耐压为5V（标称值，实际可能优于此值）。分析为LED灯长时间运行时的反向尖峰电压能量堆积是导致LED故障的主要原因。

产生反向电压的主要原因是光源板与灯体之间存在分布电容，以及光源板输入导线之间存在分布电感，尽管这些分布参数很小但是可能对电路工作形成一定的影响。

2.2 原因分析

任何导体和与之绝缘体另侧的导体都可以形成电容，这个电容就是分布电容。因此光源板与灯体之间必定会存在分布电容，尽管该分布电容很小，但是经过长时间电核的积累。会对电路及LED正常工作造成一定的影響。

分布电感指在电路中由于导线和一般元器件的分布而存在的电感，电感是能够把电能转化为磁能存储起来的。当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。

光源板的原理如图3所示，一路14颗LED一串，一共5串共70颗LED。每路LED恒流15mA。

LED一直工作在高频开关状态，因分布电感和分布电容的影响部分电路原路图扩展成如图4所示。

具体说明：在电路通电流的瞬间电容会产生一个充电脉冲，电感会产生一个自感电势。因两者的电流和电压最大值在时间相位上有差别，这就造成了两者的电流或电压总是在强弱间变化然后产生振荡。如果无外部能量继续供应，这种振荡是会随着电路电流和电压的稳定慢慢停歇的。因LED一直处于高频开关状态，所以这种振荡会一直存在。

以一个LED开关周期进行说明，一串LED的其中一颗进行描述。当输入开通时，分布电感充能（图5），LED正常导通，因为LED有固定正向导通电压，约3.3V，因此在LED两端的电压U1等于3.3V，当输出断开时，因电感释放能量（图6），分布电容充电，此时LED两端的电压就是分布电容充电完毕后的电压，该电压约等于电感放电时的感应电动势。此时LED存在反向电压值。

LED正常工作时处于恒流状态，工作电流为15mA，电感电压U=L（dI/dt），因此电感越大，产生的反向电压越大。尽管分布电容与分布电感很小，但是经过电容与电感的反复开关震荡，会存在一定的反向电压。

3 改进方案

在综合验证各方面电气性能的基础上得出在电源的输出端增加RC吸收电路，对吸收反向尖峰电源具有显著作用且对电源模块本身基本无影响。如图7所示。

RC吸收电路是利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率，因电路总是存在电感，所以电容C与电阻R串联可起阻尼作用，防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管，同时也避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。图8为增加RC吸收电路的LED反向电压。

从图8的测试分析，加入吸收电路可以让LED的反向尖峰电压抑制到低于器件标称的反向耐压值。

4 结束语

通过在LED灯电源模块上增加吸收电路后，本项目列车未再出现类似故障，说明该方案可行。

此次反向电压的形成类似于接触器原理，不同的是接触器在开关时形成的反向电压被二极管所化解，LED灯的电源模块在设计当初未考虑到反向电压问题，故此电源模块存在着设计上的缺陷，因此在设计初期应该对设计方案进行细致的验证及优化，才能使设计的产品更加稳定地工作。

参考文献：

[1]邵展图.电工基础（第四版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.