LED應(yīng)急照明燈驅(qū)動電路設(shè)計
應(yīng)急照明燈是一種十分重要的照明裝置，在正常供電時自動對后備蓄電池充電，在電源停電后自動切換蓄電池供電，提供應(yīng)急照明功能，在高層建筑、教學(xué)樓、商場和娛樂場所等人員密集的地方得到廣泛應(yīng)用。由于它涉及到建筑物發(fā)生火災(zāi)時人員的安全疏散、消防應(yīng)急照明和方向指示等項內(nèi)容，在消防救援中扮演著十分重要的角色，甚至被人們稱作“生命之燈”。采用LED 作為應(yīng)急照明的應(yīng)急燈，具有壽命長、能耗低、顯色性高、易維護(hù)、體積小、點(diǎn)亮速度快、無頻閃，發(fā)光效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源，無有害金屬汞，非常環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而成為主流產(chǎn)品。LED 應(yīng)急照明燈的設(shè)計在考慮《消防應(yīng)急燈具》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB17945-2000)的前提下，主要從實(shí)現(xiàn)的功能、主要技術(shù)指標(biāo)要求、應(yīng)急照明電路設(shè)計、正常照明與充電控制電路設(shè)計和自動應(yīng)急轉(zhuǎn)換電路設(shè)計等方面進(jìn)行綜合設(shè)計。
LED 應(yīng)急照明燈實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：
(1)自動切換功能。斷電發(fā)生時，內(nèi)置的控制電路在5s 內(nèi)(高危險區(qū)域在0.25s 內(nèi))自動切換電源，進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。市電恢復(fù)供電時，自動切換回充電狀態(tài)。
(2)恒流充電功能。充電時，紅色和綠色指示燈亮，充滿時，紅色指示燈熄滅，此時轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài);綠色指示燈顯示主電狀態(tài)，市電正常接入即點(diǎn)亮。
(3)故障檢測功能。如電池保險絲斷或接觸不良，或內(nèi)部控制電路不正常，內(nèi)置的自檢電路將自動點(diǎn)亮黃色指示燈。
(4)過放電保護(hù)功能。當(dāng)電池電壓放電到額定電壓的80%時，電子開關(guān)立即切斷放電回路，可確保電池的長壽命。
(5)試驗按鈕功能。在主電正常供電的條件下，按下試驗按鈕等同于切斷外部電源，用于模擬停電狀態(tài)試驗。在主電斷電的條件下按下該按鈕，可以關(guān)閉應(yīng)急照明燈。
2 應(yīng)急照明燈的主要技術(shù)指標(biāo):
按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB17945-2000)，LED 應(yīng)急照明燈應(yīng)該達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。
(1)消防應(yīng)急燈具的應(yīng)急工作時間應(yīng)不小于90min，且不小于燈具本身標(biāo)稱的應(yīng)急工作時間。
(2)消防應(yīng)急燈具應(yīng)設(shè)主電、充電、故障狀態(tài)指示燈。主電狀態(tài)用綠色，充電狀態(tài)用紅色，故障狀態(tài)用黃色。集中電源型消防應(yīng)急燈具應(yīng)設(shè)主電和應(yīng)急電源狀態(tài)指示燈，主電狀態(tài)用綠色，應(yīng)急狀態(tài)用紅色。主電和應(yīng)急電源共用供電線路的消防應(yīng)急燈具可只用紅色指示燈。
(3)消防應(yīng)急燈具應(yīng)有過充電保護(hù)和充電回路短路保護(hù)。消防應(yīng)急燈的充電時間應(yīng)不大于24h，最大連續(xù)過充電電流不應(yīng)超過0.05C5A(1C 表示電池容量電流,0.05C 為0.05 倍電池容量電流;C5表示5 小時的容量放電時間)。集中電源型消防應(yīng)急燈具使用免維護(hù)鉛酸電池時最大充電電流不應(yīng)大于0.4 C20A。
(4)消防應(yīng)急燈具應(yīng)有過放電保護(hù)。電池放電終止電壓應(yīng)不小于額定電壓的80%， 放電終止后，在未重新充電條件下，即使電池電壓恢復(fù)，消防應(yīng)急燈具也不應(yīng)重新啟動，且靜態(tài)泄放電流應(yīng)不大于10-5 C5A。集中電源型消防應(yīng)急燈具使用免維護(hù)鉛酸電池時最大放電電流不應(yīng)大于0.6 C20A。電池放電終止電壓應(yīng)不小于電池額定電壓的90%, 靜態(tài)泄放電流應(yīng)不大于10-5 C20A。
(5)消防應(yīng)急燈具在主電電壓為187～242V 范圍內(nèi)，不應(yīng)轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)。
(6)消防應(yīng)急燈具由主電狀態(tài)轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)時的主電電壓應(yīng)在132～187V 范圍內(nèi)。由應(yīng)急狀態(tài)恢復(fù)到主電狀態(tài)時的主電電壓應(yīng)不小于187V。
(7)消防應(yīng)急燈具的主電源輸入端與殼體之間的絕緣電阻應(yīng)不小于50MΩ， 有絕緣要求的外部帶電端子與殼體間的絕緣電阻應(yīng)不小于20 MΩ。
(8)消防應(yīng)急燈具的主電源輸入端與殼體間應(yīng)能耐受頻率為50Hz±1%, 電壓為1500V±10%， 歷時60s±5s 的試驗。消防應(yīng)急燈具的外部帶電端子(額定電壓≤50VDC) 與殼體間應(yīng)能耐受頻率為50 Hz±1%、電壓500V±10%，歷時60s±5s 的試驗。試驗期間，消防應(yīng)急燈具不應(yīng)發(fā)生表面飛弧和擊穿現(xiàn)象， 試驗后，消防應(yīng)急燈具應(yīng)能正常工作。
3 LED 伏安特性與供電要求:
按照發(fā)光顏色的不同，LED 可以分為藍(lán)光Blue(InGaN) 470nm， 綠光Green (GaP:N)550 nm， 黃光Yellow (GaP:N -N) 587 nm， 紅光Red (InGaAlP)617nm， 超紅光Super-Red (InGaAlP) 630nm， 白光LED 等產(chǎn)品。由于它們的固有特性存在差異性,所以應(yīng)用時需要為其設(shè)計不同的供電電源。
3.1 標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED 的伏安特性對于5mm 直徑的標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED,其正向?qū)妷?VF)與正向電流(IF)的函數(shù)曲線如圖1 所示。由圖1 可知，標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED 具有1.4～2.6V 的正向?qū)妷?，且正向壓降隨著正向電流的增大而增加。當(dāng)正向電流低于10mA 時,正向?qū)妷簝H僅改變幾百毫伏。
使用LED 最簡單的方法是將一個電壓源施加到一個電阻與LED 相串連的回路，只要工作電壓保持恒定,LED 就可以發(fā)出恒定強(qiáng)度的光(盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強(qiáng)會減小)，通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴?qiáng)調(diào)節(jié)至所需要的強(qiáng)度。例如，外加5V電源， 正向工作電流為10mA 的綠光LED 應(yīng)該有2V 的恒定工作電壓,那么串接電阻為R=(5 -VF)/10mA = 300Ω
3.2 藍(lán)光和白光LED 的伏安特性
藍(lán)光(InGaN)LED 的顯示波長(色彩)會隨著正向電流的變化而改變，如圖2 所示。藍(lán)光LED 的正向伏安特性是圖3 眾多曲線之一。
當(dāng)工作電流在4～10mA 范圍時，其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=2.6mA/0.1V;
當(dāng)工作電流在10mA 以上時，其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=3.3mA/0.1V。真正發(fā)射白光的LED 是不存在的， 因為LED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個波長的光線。為此， 在白光LED 設(shè)計中，采用了在發(fā)射藍(lán)光InGaN 基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料,這種材料在受到藍(lán)光激勵時會發(fā)出黃光，于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物, 在肉眼看來就是白色的。一組隨機(jī)挑選的白光LED 的電流-電壓曲線如圖3 所示。
由圖3 可知，白光LED 要求高于3V 的電壓驅(qū)動， 正向電流為10mA 時, 正向電壓的范圍為3.5～3.8V。直接用電池驅(qū)動白光LED 是很困難的,因為絕大數(shù)電池會隨著放電使電壓低于LED 所需要的最小正向?qū)妷憾刂?。鋰電池在完全充滿電時可以提供4.2V 的輸出電壓,在很短的一段工作時間內(nèi)會下降到標(biāo)稱3.5V 電壓，隨著電池放電,其輸出電壓會進(jìn)一步下降到3.0V，可以滿足直接驅(qū)動照明LED 的供電要求。
對于這些白光LED，施加3.3V 電壓(圖3 右虛線) 會產(chǎn)生2～5mA 的正向電流, 導(dǎo)致不同亮度的白光。許多便攜式或采用電池供電的設(shè)備使用白光LED 作為背光，例如PDA 彩色顯示器需要白色背景光，要求恢復(fù)色彩與原物接近。在這些白光照明要求較高的應(yīng)用中，單個白光LED 的照明亮度是不夠的,需要同時點(diǎn)亮幾只白光LED， 但必須采用特定的供電方式，以確保它們的強(qiáng)度和色彩一致,即使在電池放電或其它條件變化時也應(yīng)如此， 所以一般采用帶有電流控制的電荷泵作為白光LED 的供電電源，它能提供一個足夠高的輸出電壓, 并且在并聯(lián)連接的LED 上加載同樣的電流。如Maxim 提供帶有電流控制的電荷泵(采用MAX1912 芯片)，可以同時并聯(lián)驅(qū)動3 個以上的白光LED,輸出電流可達(dá)60mA。
4 LED 應(yīng)急照明燈控制電路設(shè)計:
4.1 變壓、整流與濾波電路設(shè)計
在正常情況下一般由AC220V 市電供電，為此設(shè)計了變壓、整流、濾波電路，如圖4 所示。其作用是：AC220V 經(jīng)變壓器T1 降壓為AC8V 電壓，經(jīng)D1～D4 橋式整流和C1 濾波后，得到直流電壓，供給充電電路和其它電路使用。
4.2 狀態(tài)指示電路設(shè)計
本應(yīng)急照明燈主要有主電供電狀態(tài)、充電工作狀態(tài)和電路故障狀態(tài)3 種工作狀態(tài)，分別用標(biāo)準(zhǔn)的綠光LED、紅光LED 和黃光LED 來指示，根據(jù)控制要求設(shè)計了主電指示、充電指示、故障指示電路和工作狀態(tài)檢測電路，如圖5 所示。
(1)主電供電狀態(tài)。當(dāng)接通主電電源后，經(jīng)降壓、整流和濾波后得到的直流電壓， 經(jīng)過R1、Rx、D10 限流后，使主電指示燈D10(綠)亮，D10 正向?qū)妷簽?V， 正常顯示電流10～20mA; 主電斷電后，主電指示燈D10 熄滅。
(2)充電工作狀態(tài)。剛開始充電時，充電電池電壓較低，Q4 截止， 整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R1、R9、D11 限流后，使充電指示燈D11(紅)亮,D11 正向?qū)妷簽?.8V，正常顯示電流10～20mA;當(dāng)電池電壓升高到一定值時，導(dǎo)致D7 截止，并經(jīng)R8→R10→Q4(9013)通路，使Q4 導(dǎo)通，從而使紅燈D11熄滅。
(3)電路故障狀態(tài)。在主電供電的情況下，當(dāng)電池失效或者與之串聯(lián)的保險管熔斷后，施加的直流電壓高于6.8V 使穩(wěn)壓管D9 工作，再經(jīng)過R12 使故障燈D12(黃)亮,D12 正向?qū)妷簽?V，正常顯示電流10～20mA。當(dāng)主電斷電后，故障燈D12 熄滅。
4.3 應(yīng)急轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
當(dāng)主電正常供電時，整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R8、D7 限流后，給電池BT 充電;同時，該真流電壓經(jīng)R1、R3，對C2 充電，為應(yīng)急轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備，并使Q1 導(dǎo)通，但由于C 點(diǎn)電位高于A 點(diǎn)電位，而使D5 和Q2 截止。
當(dāng)主電由供電轉(zhuǎn)為斷電時，C2 上的充電壓使Q1 繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)，C 點(diǎn)由高電位轉(zhuǎn)為低電位，使D5 和Q2 導(dǎo)通， 充電電池向LED 應(yīng)急照明電路供電。選擇蓄電池容量為3.6V/300mAh，在LED 照明電路電流小于等于200mA 的情況下， 確保LED應(yīng)急照明工作時間不小于90min。在主電正常供電的情況下，閉合試驗按鈕SB，則模擬主電斷電而進(jìn)入應(yīng)急照明狀態(tài)，打開試驗按鈕恢復(fù)主電供電狀態(tài)。
根據(jù)上述控制要求，設(shè)計的應(yīng)急照明燈的應(yīng)急轉(zhuǎn)換電路，如圖6 所示。
4.4 LED 應(yīng)急照明電路
該應(yīng)急照明燈的應(yīng)急照明功能是由白光LED來實(shí)現(xiàn)的， 由于單只白光LED 的發(fā)光亮度有限，不能滿足實(shí)際要求而使用了多只LED，設(shè)計的控制電路如圖7 所示。為了照明光線的均勻性，將應(yīng)急照明電路做成2 塊板，分布在底座的兩邊，每塊應(yīng)急照明板上均安裝了4 只白光LED，每只LED 的正向?qū)妷簽?V 左右， 正向工作電流范圍為10～30mA。同時，為了避免LED 正向?qū)妷旱碾x散性而導(dǎo)致功率消耗不均衡的問題，每只LED 串聯(lián)一只電阻后再并聯(lián)使用。在本設(shè)計中共使用了8 路白光LED 電路，總的工作電流不能超過200mA，即每個LED 回路的工作電流不能超過25mA， 以保證應(yīng)急工作時間不小于90min。
5 結(jié)論:
隨著LED 技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的下降，LED在應(yīng)急照明及日常生活中將扮演越來越重要的角色。在開發(fā)設(shè)計應(yīng)急照明燈的控制電路時，要根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，充分考慮各種光譜LED 的電光特點(diǎn)，從高效率、高可靠的角度出發(fā)完成LED 驅(qū)動電路設(shè)計，是保證LED 得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。
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