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        一種線性恒流的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        2011-03-14 12:39:48鐘龍平馬智杰徐欣歌陳文薌
        電子設(shè)計(jì)工程 2011年2期
        關(guān)鍵詞:燈珠結(jié)溫恒流源

        鐘龍平,馬智杰,徐欣歌,陳文薌

        (廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建 廈門 361005)

        LED是冷光源,工作電壓低、光效高,被認(rèn)為是21世紀(jì)照明的新光源[1]。然而,目前LED照明設(shè)備沒有得到普及應(yīng)用的關(guān)鍵問題有兩個(gè),一是價(jià)格偏高;二是控制電路不穩(wěn)定導(dǎo)致LED壽命大大降低。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前LED白光照明燈具出現(xiàn)的失效故障,70%左右是電源問題,20%左右是線路和結(jié)構(gòu)問題,只有不到10%是LED單管的本身質(zhì)量問題,所以電源管理方案的選擇對于節(jié)能而言也舉足輕重,這就要求在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中選擇最合適的AC-DC驅(qū)動(dòng)器[2]。因此可靠、低成本的控制電路是LED照明推廣普及的前提。

        由LED的電學(xué)特性可知,LED的平均正向電流隨著正向電壓的增大呈現(xiàn)大幅度的線性增長,LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED電流的很大變化[3],且電流對LED結(jié)溫影響很大,過大的電流很容易導(dǎo)致LED燈珠結(jié)溫升高而損壞。此外,由LED的光學(xué)特性可知隨著正向電流的增加,LED光通量隨之增大,即亮度增加。因此為了保持LED發(fā)光亮度的恒定,就要保證LED正向電流的穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電源對于LED照明燈具就顯得十分重要。

        本文提出了一種LED線性恒流驅(qū)動(dòng)電路,該電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小等特點(diǎn),很適合做室內(nèi)照明LED燈具(如LED日光燈)的驅(qū)動(dòng)電源。

        1 LED線性恒流驅(qū)動(dòng)電路

        LED燈在使用時(shí)需要多顆燈珠串聯(lián)或者并聯(lián)起來才能工作,采用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)多只LED雖然所需的電壓較低,但由于每只LED的正向壓降不同,使得每只LED的亮度不同,除非采用單獨(dú)的調(diào)節(jié)的方式來保證每只LED有相同的亮度[4]。所以并聯(lián)方式要保證亮度均勻一致,實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。而采用串聯(lián)方式能夠保證流過每只LED的電流相同,亮度一致,是目前常用的結(jié)構(gòu)。

        當(dāng)采用串聯(lián)型的驅(qū)動(dòng)方式時(shí),如果其中一個(gè)或幾個(gè)LED發(fā)生故障而斷路(短路對電路影響較小可忽略),會(huì)使電路發(fā)生斷路而不能正常工作。為了避免此缺陷,可在每個(gè)LED兩端反向并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管(如圖1所示),當(dāng)某個(gè)LED燈珠發(fā)生斷路時(shí),其并聯(lián)的穩(wěn)壓管投入工作,保證了串聯(lián)燈珠電流不變。要注意的是,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值要比LED的導(dǎo)通電壓要高,否則并聯(lián)的穩(wěn)壓管會(huì)分流掉一部分電流而使LED將變暗甚至不亮。

        圖1 LED串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 LED drive circuit with series

        本文采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式,其LED線性恒流控制電路如圖2所示。

        圖2 LED恒流控制電路Fig.2LEDconstant-current control circuit

        下面,進(jìn)行線性恒流源電路的工作原理分析,電路采用互補(bǔ)型兩端恒流源結(jié)構(gòu),如圖3所示。

        圖3 互補(bǔ)型兩端恒流源電路Fig.3 Complementary constant current source circuit with two terminals

        晶體管VQ1,穩(wěn)壓管VZ1和R1構(gòu)成一個(gè)恒流源,此恒流源給穩(wěn)壓管Z2提供穩(wěn)定的工作電流,而晶體管VQ2,穩(wěn)壓管VZ2和R2構(gòu)成另一個(gè)恒流源共給穩(wěn)壓管VZ1穩(wěn)定的工作電流。由于兩個(gè)恒流源互相穩(wěn)定對方的穩(wěn)壓管工作點(diǎn),使穩(wěn)定電壓和VZ2以及流過該恒流單元的總電流均不再變化[5],因此可以保證流過LED的工作電流的恒定。

        圖中各電流與電壓之間關(guān)系如下:

        我們采用的LED燈珠是0.06 W的LED,工作電流為20 mA,為了設(shè)計(jì)方便,選用的電路元器件是完全對稱的,參數(shù)分別為:

        R1=R2=R=130 Ω,UZ1=UZ2=UZ=2 V,Ube1=Ube2=Ube=0.7 V,

        流經(jīng)LED的工作總電流ILED為:

        恒流源電路提供工作電流為20 mA,滿足所用燈珠要求。

        2 測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        測試接線如圖2所示,通過調(diào)節(jié)自耦變壓器改變電壓以模擬電網(wǎng)電壓的變化。通過模擬電網(wǎng)電壓的波動(dòng),測試此恒流控制電路在實(shí)際電網(wǎng)中的工作特性,觀察LED的工作電流是否會(huì)隨著外部電壓的波動(dòng)而發(fā)生大的波動(dòng),并對此電路在不同電壓下的效率和LED的結(jié)溫進(jìn)行了實(shí)際的測試。

        2.1 LED正向電流隨輸入電壓變化的特性

        圖4是LED燈珠串工作電流與電源電壓關(guān)系曲線。

        圖4 電源電壓與LED電流的關(guān)系曲線Fig.4 Supply voltage-LED current curve

        當(dāng)電源電壓Ui從220 V增大到250 V時(shí),整流后的直流電壓由310 V變?yōu)?50 V,而LED燈珠串的工作電流If從20 mA變化到21.5 mA,只變化了1.5 mA。因此可以看出,電路有很好的恒流效果,保證了LED日光燈亮度的基本穩(wěn)定。

        2.2 輸入電壓變化對驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的影響

        圖5、圖6是隨著輸入電壓變化,加在LED工作電路上的直流電壓與加在LED燈珠串上的電壓及恒流源承擔(dān)電壓的變化情況。從圖5、圖6可以看到,輸入電壓經(jīng)整流后,形成的直流電壓由LED燈珠串與線性恒流源分壓,LED燈珠串上的分壓越多,表明輸入電壓的效率越高,因此通過圖6的分析,可看出本LED驅(qū)動(dòng)電路的電源效率較高。

        圖5 輸入電壓Ui(AC)變化對電路的影響Fig.5 Impact of changes in input voltage on circuit

        圖6 輸入電壓Ui(AC)變化與電源效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between changes in input voltage and power efficiency

        從圖5可以看出,當(dāng)電源輸入電壓在200~220 V區(qū)間時(shí),通過整流濾波后的直流電壓Ui(DC)大部分都加載在LED的兩端,而恒流控制電路分壓較小;從圖6也可以看出電源輸入電壓小于或等于220 V,電源效率較高,220 V時(shí)可達(dá)到98.31%。

        當(dāng)電源輸入電壓Ui(AC)高于220 V時(shí),隨著輸入電壓增加,LED兩端的電壓U(led)基本不變(291 V左右),輸入電壓增加的部分基本上由恒流控制電路的電壓U(恒)承擔(dān),這保證了單個(gè)LED的正向電壓基本不變(3.1 V),處于恒功率工作狀態(tài),電流及發(fā)光量維持了穩(wěn)定。

        2.3 輸入電壓變化對LED結(jié)溫的影響

        LED的光衰與結(jié)溫有很大關(guān)系,當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)正向電壓下降,結(jié)電壓下降導(dǎo)致電流增大,增大的電流反過來又引起結(jié)電壓下降,形成一個(gè)惡性循環(huán)。結(jié)溫是光衰的一個(gè)重要原因,結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰,壽命越短。因此結(jié)溫的變化也是考察一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的重要指標(biāo),這里采用了文獻(xiàn)[6]的方法測量結(jié)溫:

        其中, Tj(LED)是 LED 結(jié)溫,T0是測試的環(huán)境溫度(20 ℃),V0是LED的初始正向電壓,VT是LED的熱平衡后的正向電壓(1小時(shí)后測定),K是 LED的溫度系數(shù)(-2 mV/℃),具體測量是改變輸入電壓,在不同輸入電壓下,先讓LED燈充分冷卻,測量 LED 兩端總電壓,該電壓為 U(led初),過 1個(gè)小時(shí),在相同輸入電壓的條件下再次測量LED總電壓,該電壓為U(led末),將U(led初)除總LED個(gè)數(shù)即可得到單個(gè)LED的初始正向電壓VT,將 U(led末)除總 LED個(gè)數(shù)即可得到單個(gè)LED的熱平衡后的正向電壓V0,帶入公式(2)求得LED的結(jié)溫,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

        圖7 不同輸入電壓下LED電壓變化Fig.7 LED voltage changes under different input voltage

        圖8 不同輸入電壓下LED結(jié)溫的變化Fig.8 LED junction temperature changes under different input voltage

        從圖 7、圖 8可以看出,電源輸入電壓 Ui(AC)不同,但LED兩端的電壓基本保持不變,過一個(gè)小時(shí)其電壓變化量也很小,且在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)結(jié)溫低低,單個(gè)LED的結(jié)溫基本不變或微小變化,所以此恒流源控制電路能保證LED的結(jié)溫基本穩(wěn)定且較小,可以減少光衰,有效提高LED日光燈的使用壽命。

        3 結(jié)論

        本文給出的電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,創(chuàng)新之處在于把互補(bǔ)恒流電路應(yīng)用LED的恒流驅(qū)動(dòng)電路中,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該電路在輸入200~250 V變化的情況下,驅(qū)動(dòng)電流變化僅為1.5 mA,LED結(jié)溫低于37℃。這是影響LED燈珠工作最突出的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),表明該電路能夠?yàn)長ED[7]提供一個(gè)良好的工作條件。此外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電路在正常市電供電情況下(220 V)有很高的電源效率。該電路已用在1.2 m LED日光燈管上,使用效果良好,在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意根據(jù)具體電路的工作電流來進(jìn)行電路參數(shù)的匹配。

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