一種線性恒流的LED驅(qū)動電路設(shè)計
LED是冷光源,工作電壓低、光效高,被認為是21世紀照明的新光源。然而,目前LED照明設(shè)備投有得到普及應(yīng)用的關(guān)鍵問題有兩個,一是價格偏高;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,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)動電路設(shè)計中選擇最合適的AC-DC驅(qū)動器。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笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的很大變化,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)計合理的驅(qū)動電源對于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,很適合做室內(nèi)照明LED燈具(如LED日光燈)的驅(qū)動電源。
1 LED線性恒流驅(qū)動電路
LED燈在使用時需要多顆燈珠串聯(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,除非采用單獨的調(diào)節(jié)的方式來保證每只LED有相同的亮度。所以并聯(lián)方式要保證亮度均勻一致,實現(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)。
當采用串聯(lián)型的驅(qū)動方式時,如果其中一個或幾個LED發(fā)生故障而斷路(短路對電路影響較小可忽略),會使電路發(fā)生斷路而不能正常工作。為了避免此缺陷,可在每個LED兩端反向并聯(lián)一個穩(wěn)壓管(如圖l所示),當某個LED燈珠發(fā)生斷路時,其并聯(lián)的穩(wěn)壓管投人工作,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)壓管會分流掉一部分電流而使LED將變暗甚至不亮。
本文采用串聯(lián)驅(qū)動方式,其LED線性恒流控制電路如圖2所示。
圖中,Vz1、Vz2、VQ1、VQ2、R1、R2構(gòu)成線性恒流源,它保證了流過每只白光LED的電流相同,得到均勻的亮度。LED驅(qū)動電源采用市電直接整流濾波,得到控制LED的直流工作電壓,無需升壓或降壓處理,故電源驅(qū)動電路簡潔,且電源效率高。所使用的LED是高亮度的白光LED(工作電壓范圍為:3.0~3.2V),利用94個LED燈珠組成LED日光燈。
下面,進行線性恒流源電路的工作原理分析,電路采用互補型兩端恒流源結(jié)構(gòu),如圖3所示。
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晶體管VQ1,穩(wěn)壓管Vz1和R1構(gòu)成一個恒流源,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)成另一個恒流源共給穩(wěn)壓管Vz1穩(wěn)定的工作電流。由于兩個恒流源互相穩(wěn)定對方的穩(wěn)壓管工作點,使穩(wěn)定電壓Vz1和Vz2以及流過該恒流單元的總電流均不再變化,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:
流經(jīng)LED的工作總電流,ILED為:
我們采用的LED燈珠是0.06 W的LED,工作電流為20mA,為了設(shè)計方便,選用的電路元器件是完全對稱的,參數(shù)分別為:
恒流源電路提供工作電流為20mA,滿足所用燈珠要求。
2 測試實驗結(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,測試此恒流控制電路在實際電網(wǎng)中的工作特性,觀察LED的工作電流是否會隨著外部電壓的波動而發(fā)生大的波動,并對此電路在不同電壓下的效率和LED的結(jié)溫進行了實際的測試。
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。
當電源電壓Ui從220V增大到250V時,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20mA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目光燈亮度的基本穩(wěn)定。
2.2 輸入電壓變化對驅(qū)動電路參數(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)動電路的電源效率較高。[!--empirenews.page--]
從圖5可以看出,當電源輸入電壓在200~220 V區(qū)間時,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時可達到98.31%。
當電源輸入電壓Ui(AC)高于220 V時,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,這保證了單個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,當結(jié)溫升高時正向電壓下降,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,形成一個惡性循環(huán)。結(jié)溫是光衰的一個重要原因,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驅(qū)動電路的重要指標,這里采用了文獻的方法測量結(jié)溫:
其中,Tj(LED)是LED結(jié)溫,TO是測試的環(huán)境溫度(20℃),VO是LED的初始正向電壓,VT是LED的熱平衡后的正向電壓(1小時后測定),K是LED的溫度系數(shù)(-2mV/℃),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個小時,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個數(shù)即可得到單個LED的初始正向電壓VT,將U(led 末)除總LED個數(shù)即可得到單個LED的熱平衡后的正向電壓VO,帶入公式(2)求得LED的結(jié)溫,實驗結(jié)果如圖7、圖8所示。
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,過一個小時其電壓變化量也很小,且在這個時間段內(nèi)結(jié)溫低低,單個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)新之處在于把互補恒流電路應(yīng)用LED的恒流驅(qū)動電路中,實驗結(jié)果表明,該電路在輸入200~250 V變化的情況下,驅(qū)動電流變化僅為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關(guān)鍵參數(shù),表明該電路能夠為LED提供一個良好的工作條件。此外,實驗結(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)計過程中應(yīng)該注意根據(jù)具體電路的工作電流來進行電路參數(shù)的匹配。