led驅動原理
正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關系曲線,由曲線可知,當正向電壓超過某個閾值(約2V),即通常所說的導通電壓之后,可近似認為,IF與VF成正比。見表是當前主要超高亮LED的電氣特性。由表可知,當前超高亮LED的最高IF可達1A,而VF通常為2~4V。
由于LED的光特性通常都描述為電流的函數,而不是電壓的函數,光通量(φV)與IF的關系曲線,因此,采用恒流源驅動可以更好地控制亮度。此外,LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達1V以上),而由上圖中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會引起較大的,IF變化,從而引起亮度的較大變化。
LED的溫度與光通量(φV)關系曲線,由下圖可知光通量與溫度成反比,85℃時的光通量是25℃時的一半,而一40℃時光輸出是25℃時的1.8倍。溫度的變化對LED的波長也有一定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。
所以,采用恒壓源驅動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此,超高亮LED通常采用恒流源驅動。
led串聯驅動電路圖
ic驅動串聯的led電路圖
電池供電白光LED串聯驅動電路圖
采用串聯連接本質上可以很好保證電流的一致性,但需要給LED串施加較高電壓。為達到適當的照明亮度,普通白光LED需要3.6V偏置電壓和最大20mA的偏置電流。圖1給出了可以調節7個白光LED串亮度的低成本電感型升壓電路。
這個電路可以分成兩個部分:由Q1和Q2組成的升壓電路,以及由Q3和JFET1組成的控制電路。假設Q1截止,當電池電壓略高于Q2的VVB時,Q2基極將流過正電流(iB=(電池電壓VBE)/RJET1)。此時,Q2導通,電感L1接地。
隨著L1上的電流以di/dt的速度增大,能量在L1磁場中保存起來。隨著電流逐漸增大,它也流過Q2的電阻RSAT(SD1和LED串處于截止狀態)。Q2的集電極電壓足夠高,能使Q1導通。Q1的基極電壓通過由R1和C1組成的前饋網絡連到Q2的集電極。R1也被用來限制Q1的基極電流。
Q1導通后,驅動Q2的基極接地,于是Q2截止,L1的能量隨著磁場減弱被釋放到LED串中。
L1的快速回零動作在LED串上施加了高于26V的正向偏置電壓,使LED發出白光。由于人眼感覺不到LED的高頻閃爍,所以該電路可提供亮度恒定的照明。當L1放電結束后,Q1返回到截止狀態。
正常工作時,這個自振蕩動作重復進行,直到電池電壓下降到小于Q2的VBE與JFET1壓降(大約1V)之和,這時Q2不再導通。L1、Q2的RSAT和Q1、Q2的開關特性也會影響振蕩周期和占空比。
電池組(4個堿性電池)的電壓被提高到26V以上,以便向由7個串聯的白光LED組成的LED串提供正向偏置。
流經R4的小直流電流(不到20uA)對Q3進行偏置,以調節JFET1的通道電阻,從而調節電池漏電流以延長電池壽命。JFET1的柵極電壓比電池組電壓高0.9V左右。這里p-JFET被用作耗盡型器件,當VGS等于零時,p-JFET導通。
ET的源極連接電池端子。設計工程師可通過提高柵極電壓(比電池正電壓更高)來關斷該通道。柵極電壓比電池電壓越高,通道電阻就越大。
因此,當電池組電壓從6V下降到3V時,振蕩頻率下降(JFET1的VGS將略有變化)。此時,LED的亮度略微下降。理想情況下,控制環路將保持LED電流不變。但人眼對光的靈敏度服從準對數關系,因此在電池組電壓下降到2V左右以前,亮度的小幅度線性下降不易被察覺。
另一種方案是保持電池的輸出功率(電流與電壓之積)不變。由于存在電池內阻損耗,雖然這樣做可保持LED亮度不變,但將縮短電池壽命,此外電路的復雜性也將大大提高。總之,這個簡單電路的LED亮度將在整個電池壽命期間變化很小。
可以稍微調節LED串的亮度,比如設計工程師通過稍微改變R2的阻值來針對三極管和LED的制造偏差進行調節,這樣光輸出(單位:流明)可被設為固定值。
當電池組能量即將耗盡時,可以把發光暗淡的LED串短路,而只連接一個LED,這時只要電池組還有1V的剩余電壓,就可以讓這個LED發出強光。這種單LED連接方式可以利用廢棄的電池提供最后緊急照明。
從安全方面考慮,當使用堿性電池時所有電池必須匹配。當電池組中能量最少的電池的能量完全耗盡,而其它電池還有足夠能量對能量耗盡的電池形成反向偏壓時,將導致能量耗盡的電池過熱并泄漏乳狀酸液,從而產生安全問題。
為實現電池匹配,應保證用同一包裝的新電池同時更換全部4個電池。4個AA堿性電池的額定容量為4×1000mAh,這意味著LED可以連續照明約61個小時。電路原型的測試結果表明其連續照明時間為兩天(48小時)多一點。
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