常見(jiàn)LED恒流源電路圖 詳解LED恒流源電路圖原理大全KIA MOS管
信息來(lái)源:本站 日期:2018-04-24
首先來(lái)看一下LED到底是什么樣的器件。因?yàn)長(zhǎng)ED的亮度是和它的正向電流成正比,而且一些LED的結(jié)構(gòu)決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數(shù)LED會(huì)給出額定電流,例如Φ5為20mA,1W的為350mA…等,但這并不等于LED只能工作于這些額定電流,更不意味著LED就是一個(gè)恒流器件。
本文先從采用恒流源的電路開(kāi)始,本電路中的主要元件三極管,要求其耐壓要400V以上,功率也要10W以上的大功率管,如13003、13005等,并且要加上散熱片,濾波電容C容量為4.7uF,耐壓要有400V以上,發(fā)光管電流的大小由R2調(diào)整決定,為方便調(diào)整可用可變電阻調(diào)整后再換上相同阻值的固定電阻,本電路可帶發(fā)光管數(shù)量少則十幾只,最多可達(dá)到90多只。
雖然增加了一些成本,但使用效果要比只用電阻限流的電路好得多,即使電壓波動(dòng)較大,電路仍然能保持電流恒定不變,這對(duì)發(fā)光管的壽命是非常有利的,在此范圍內(nèi)的電流都能基本保持恒定不變。本電路使用發(fā)光管數(shù)量也不可太少,越少其效率也越低。電路總耗電功率約6W。
在這里順便給大家講講LED采用并聯(lián)接法好還是采用串聯(lián)接法好?
LED采用并或串聯(lián)接法,主要應(yīng)該根據(jù)電源盒電路的形式及要求決定。
采用串聯(lián)接法的電路,當(dāng)其中一只LED斷路時(shí)整串的LED都不亮;但當(dāng)其中一只LED短路時(shí)其他LED都還能亮。采用并聯(lián)接法的電路,當(dāng)其中一只LED斷路時(shí)其它的LED都還能亮;但當(dāng)其中一只LED短路時(shí)則整個(gè)電路的電源將被短路,這樣不僅其它的LED都不能正常工作,而且還有可能損壞電源。故相比之下還是串聯(lián)接法的電路較有優(yōu)勢(shì)。
并聯(lián)接法只需要在每個(gè)LED兩端施加較低的電壓,但需要利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證每個(gè)LED的亮度一致。如果流過(guò)每個(gè)LED的偏置電流大小不同,則它們的亮度也不同,從而導(dǎo)致整個(gè)光源亮度不均勻。然而,利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證LED的亮度一致將縮短電池的使用壽命。
采用串聯(lián)接法本質(zhì)上可以很好保證流過(guò)每只LED電流的一致性,但要求電源電壓要高。LED采用并聯(lián)接法時(shí),由于電路的總電流是各個(gè)LED電流之和,所以要求電源要能供給足夠大的電流。
其實(shí)嚴(yán)格意義上并聯(lián)或串聯(lián)接法各有它們的優(yōu)缺點(diǎn)。需要你在實(shí)用的予以考慮多方面因素。在實(shí)際運(yùn)用中常采用串并聯(lián)形成的LED陣列,這樣可以克服或減小上述單個(gè)LED斷路或短路造成整串LED不亮或?qū)φ麄€(gè)電路和電源的影響。所謂串并聯(lián)就是先用少量LED串聯(lián)再串鎮(zhèn)流電阻組成一條支路,再將若干條支路并聯(lián)組成“支路組”。
此外,還能采用串并串形式,就是在已組成的“支路組”的基礎(chǔ)上,再將若干“支路組”串聯(lián)構(gòu)成整個(gè)燈具電路,此種接法不僅縮小了一只LED故障時(shí)的影響面,而且將鎮(zhèn)流電阻化整為零,將幾只大功率電阻變成幾十只小功率電阻,由集中安裝變成分散安裝,這樣既利于電阻散熱,又可以將燈具設(shè)計(jì)的更緊湊。
首先任何電路我們必須要考慮其電源驅(qū)動(dòng),通常驅(qū)動(dòng)LED采用專(zhuān)用恒流源或者驅(qū)動(dòng)芯片,容易受體積和成本等因素的限制,最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。
用它驅(qū)動(dòng)小功率LED,具有不怕負(fù)載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),而且一個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)1~70個(gè)小功率LED(但是,這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊,尤其是頻繁啟動(dòng),會(huì)給LED造成破壞。當(dāng)然,采取適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)便可避免這種沖擊,在這方面,可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。
在LED正常工作時(shí),泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí),LED就會(huì)開(kāi)路,這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活,所帶來(lái)的壓降僅為1.0 V,將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節(jié)省空間的小型封裝,設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V),如果散熱處理恰當(dāng),也支持大于1 A電流的操作。
對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的檢查,應(yīng)該根據(jù)電路圖仔細(xì)核對(duì)電路是否接錯(cuò),特別注意檢查整流橋(長(zhǎng)腳的是正極輸出,其對(duì)角是負(fù)極輸出,另外兩腳是交流輸入)或整流二極管以及穩(wěn)壓二極管的極性是否正確(印有黑線(xiàn)或白線(xiàn)的一端是負(fù)極),還有檢查晶體三極管或穩(wěn)壓集成電路的三個(gè)電極是否錯(cuò)接等。
C1為降壓電容器(采用金屬化聚丙烯電容),R1為C1提供放電回路。電容C1為整個(gè)電路提供恒定的工作電流。電容C2為電解電容,其耐壓值取決于所串聯(lián)的LED的個(gè)數(shù)(約為其總電壓的1.5倍以上),它的主要作用是抑制通電瞬間引起的電壓突變,從而降低電壓沖擊對(duì)LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻,其阻值應(yīng)隨著LED個(gè)數(shù)的增加適當(dāng)增加。
由于電容降壓電源是一種非隔離式電源,在通電瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的電流,也就是所謂的浪涌電流。此外,由于外界環(huán)境的影響(如雷擊) 電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌信號(hào),有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。
所以,要提供熱敏電阻保護(hù),這個(gè)主要有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)(NTC熱敏電阻,NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫(xiě))和正溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)(PTC(Positive Temperature Coefficient))然后有瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù)((Transient Voltage Suppressor),簡(jiǎn)稱(chēng)TVS)
負(fù)溫度系數(shù)意思是負(fù)的溫度系數(shù),泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件,限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線(xiàn)路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻。
正溫度系數(shù)電流通過(guò)PTC熱敏電阻后引起溫度升高,即發(fā)熱體的溫度上升,當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,于是電流的下降導(dǎo)致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度又升高,周而復(fù)始。
瞬態(tài)電壓抑制器主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí),它能以10-12s量級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞?,將兩極間的電壓鉗位于個(gè)預(yù)定值,保護(hù)電子線(xiàn)路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。
智能型LED恒流源就是一個(gè)實(shí)例。
我們知道所有的電源都可以分為恒壓電源和恒流電源兩種,恒壓電源就是輸出電壓穩(wěn)定,不隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化,而恒流電源則是輸出的電流恒定,不隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化。LED因?yàn)槭且环N半導(dǎo)體二極管,它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù),如果采用恒壓電源供電,就會(huì)使其電流越來(lái)越大而燒毀,所以必須采用恒流電源供電。而其實(shí)現(xiàn)方法,也有兩種,一種是開(kāi)關(guān)型,另一種是線(xiàn)性型。開(kāi)關(guān)型的優(yōu)點(diǎn)是效率比較高(90%左右),缺點(diǎn)是元件數(shù)較多,可靠性低,體積大,成本高,而線(xiàn)性恒流源正好相反,元件數(shù)很少,可靠性高,體積很小,成本很低,缺點(diǎn)是效率很低,只有85%左右。
線(xiàn)性恒流源的效率隨輸入電壓的升高而降低。它的典型的效率曲線(xiàn)如圖1所示:
在市電電壓為220V時(shí),它的效率只有85%。
但是,在輸入電壓越低的時(shí)候,效率就高,那么有沒(méi)有可能讓這種線(xiàn)性恒流源在220V的時(shí)候效率也很高呢?
這需要我們來(lái)詳細(xì)地研究線(xiàn)性恒流源的電路構(gòu)成和性能。
最簡(jiǎn)單的線(xiàn)性恒流源就是采用普通恒流二極管了,它的的電路如下圖所示:
圖中的CRD就是恒流二極管,圖上采用了幾個(gè)CRD并聯(lián),以得到所需的恒流值,實(shí)際上現(xiàn)在有很多不同恒流值的恒流二極管可供選用,所以也不需要采用并聯(lián)的方法來(lái)得到所需的恒流值了。所以只要采用一個(gè)恒流值相當(dāng)?shù)暮懔鞫O管和所有LED相串聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流供電,可見(jiàn)它的電路是十分簡(jiǎn)單的!
它的工作原理可以從它的伏安特性中看出:
它可以在Vk一直到POV很大的輸入直流電壓范圍內(nèi)都保持電流恒定。而Vk的絕對(duì)值低于3V,假定整流后的直流電壓為300V,恒流值為0.1A,那么總功率為30W,如果LED串的總電壓也正好接近300V,而使恒流二極管工作于Vk點(diǎn),那么它消耗的功率就只有0.3W,其效率為(30-0.3)/30=99%。
但是當(dāng)輸入電壓增加的時(shí)候,恒流二極管就必須承擔(dān)起消耗這些多余電壓的功能,它的工作點(diǎn)就右移,而功耗就逐漸增大,整體的效率也就逐漸降低,表現(xiàn)為其效率的線(xiàn)性下降。
由此可知,采用恒流二極管的低效率特性是天生的,所有恒流二極管都必須采用帶有很大散熱片的管殼封裝,看上去似乎無(wú)法避免的。
這也是一般教科書(shū)里就是那么說(shuō)的。
為了提高線(xiàn)性恒流源的效率必須想出完全不同的途徑。
因?yàn)槲覀兊膽?yīng)用是對(duì)LED的供電,LED就是我們的線(xiàn)性恒流源的負(fù)載。它的數(shù)目就必須滿(mǎn)足整流后的電壓輸出,例如,假定整流后的電壓是300V,每顆LED的正向電壓為3V,那么就需要100顆LED相串聯(lián)。當(dāng)市電電壓增加時(shí),整流后的電壓也增加,但是LED是由恒流源供電的,所以它的正向電壓不會(huì)變,所增加的整流后電壓就必須由恒流二極管來(lái)承擔(dān),這樣整體效率就必然降低。
那么有沒(méi)有辦法不要讓恒流二極管來(lái)承擔(dān)這個(gè)整流后電壓的升高呢?
最好的解決方法就是自適應(yīng)地改變LED的數(shù)目。當(dāng)市電電壓升高時(shí),就增加LED的個(gè)數(shù),當(dāng)市電電壓降低時(shí),就減少LED的數(shù)目,這可以很容易采用一種自適應(yīng)的數(shù)字式開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的原理圖如下所示。
其中方塊中的這部分LED就是可以自適應(yīng)地接入到主串LED中,也可以從主串中自適應(yīng)地?cái)嚅_(kāi)。接入或斷開(kāi)的個(gè)數(shù)由輸入電壓變化的大小而決定。它能感知輸入電壓的變化,并由此來(lái)決定LED數(shù)目的變化,所以它是自適應(yīng)的,也可以說(shuō)是智能的。
現(xiàn)在這種能夠自動(dòng)開(kāi)關(guān)的芯片已經(jīng)由深圳埃菲萊公司開(kāi)發(fā)成功,命名為AICS,意即Adaptive-Intelligence-Current-Source,也就是自適應(yīng)-智能-電流-源。
如前所述,采用自適應(yīng)控制以后,這種恒流源的效率可以高達(dá)99%。而且這個(gè)效率可以在很大的輸入電壓變化范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)。下面就是效率和輸入電壓變化的關(guān)系曲線(xiàn):
圖中藍(lán)色為恒流源本身的效率,紅色為加上整流器以后的總效率,在市電電壓在175V-265V內(nèi)變化時(shí),恒流源的效率都能保持99%不變,加上鎮(zhèn)流器的損耗也可以高于98%。
當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),恒流二極管的功耗也會(huì)加大,例如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),由于LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù),它的正向電壓也會(huì)降低,這時(shí)候LED串的總電壓就會(huì)低于整流后電壓,于是恒流二極管的壓降就會(huì)升高,功耗就會(huì)加大。這個(gè)智能的恒流源就會(huì)增加LED串中的LED數(shù)目,使得其總電壓升高,而使這個(gè)總電壓和整流后電壓仍然保持匹配從而保持高效率,其實(shí)測(cè)結(jié)果如下:
由圖中可以看到,當(dāng)環(huán)境溫度從35度升高到85度時(shí),整個(gè)效率隨輸入電壓變化曲線(xiàn)幾乎完全一樣,始終保持在98%以上(包括了整流器的效率在內(nèi))。
這種智能型LED恒流源還有一個(gè)自適應(yīng)的功能,就是對(duì)不同正向電壓的LED的自適應(yīng)。在同一個(gè)LED串中,可以采用具有不同正向電壓的LED,混編以后,自適應(yīng)智能LED恒流源仍然可以自動(dòng)地切換LED數(shù),以保證其總效率在99%。
如果只是改變LED的數(shù)目,由于恒流源的電流沒(méi)有改變,就會(huì)改變總的光通量。在智能型LED恒流源的整體設(shè)計(jì)中也考慮到這個(gè)問(wèn)題,在改變LED數(shù)目的同時(shí)還自適應(yīng)地改變恒流源的電流值,使得其總功率和總光通量不變。其結(jié)果如下:
由圖中可見(jiàn),采用這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)以后,在不同的輸入電壓范圍內(nèi),其輸入功率,輸出光通量和整體光效都基本上保持不變。
這種智能型LED恒流源徹底打破了教科書(shū)里描述的線(xiàn)性恒流源效率很低的常規(guī)認(rèn)識(shí),而破天荒地實(shí)現(xiàn)了99%的效率。從而可以實(shí)現(xiàn)把恒流源和光源放在同一塊鋁基板上,而做成光電一體化的光引擎。因?yàn)樗旧淼墓臉O低,所以把它放到光源的鋁基板上不會(huì)增加LED的結(jié)溫。深圳埃菲萊公司采用這種智能型恒流源已經(jīng)生產(chǎn)了一系列不同功率的光引擎:
7、結(jié)束語(yǔ)
這種智能型的LED恒流源的效率高達(dá)99%,這等于是說(shuō)實(shí)現(xiàn)了一種不耗電的恒流源。通常LED恒流源的效率為85-90%,也就是說(shuō)采用這種智能型的恒流源以后就可以進(jìn)一步節(jié)能10-15%。其意義是十分重大的!
中國(guó)的照明用電量為總用電量的14.5%,2014年總發(fā)電量為56496億度電,即照明用電量為8191.9億度電。采用埃菲萊的光引擎以后至少可以節(jié)約10%的能量,也就是819.2億度電,而三峽發(fā)電站的年發(fā)電量為847億度電,所以也就能夠節(jié)約出一個(gè)三峽發(fā)電站來(lái)。而全球照明用電量占總用電量的19%,2014全球總發(fā)電量為238670億度電,所以照明用電量為45350億度電,采用埃菲萊的光引擎以后就可以節(jié)約4535億度電,相當(dāng)于5.5個(gè)三峽電站的發(fā)電量!
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