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LED驱动电路

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成指数关系的LED顺向偏压与电流曲线,轻微的顺向偏压(ΔV)会导致非常大的电流变化(ΔI)
成指数关系的LED顺向偏压与电流曲线,轻微的顺向偏压(ΔV)会导致非常大的电流变化(ΔI)

电子学领域里,LED驱动电路LED circuit,又译发光二极管电路),为发光二极管灯具的核心器件,是一个用来使发光二极管(LED)发亮的电路

随着全球倡导绿色照明以及节能的迫切需求。越来越多的照明产品进入到发光二极管光源的时代。而作为发光二极管灯具的核心器件,LED驱动芯片扮演着越来越重要的角色。

推动LED时,其最终目的都是要控制流经LED的电流以达到或贴近原有设计要求的数值,并使其稳定而不受或减少被电源电压温度、顺向偏压差异等因素影响,从而得到所需光度、防止LED寿命减短或被损坏。

LED工作于直流电,其顺向偏压与电流成指数关系,因此极细小的电压变化也会使其电流、光度有很大变化,严重的更会因为功耗过高而永久损坏。

概述

目前发光二极管驱动芯片按类型可分为:恒压式驱动芯片、恒流式驱动芯片以及脉冲式驱动芯片。其中恒压式驱动芯片一般就是我们常见的DC/DC升压芯片居多。这种方案的优点是芯片成本便宜没有复杂的外围电路。但只能恒定电压驱动LED就会造成驱动输出时电路电流的不可控。无法保证LED亮度的一致性。

恒流式驱动芯片则解决了之前恒压式驱动的电流不可控问题。目前比较好的恒流芯片可以做到1%左右的恒流精度,而且有简易的外围控制接口可灵活设置所需输出的电流大小所以倍受欢迎。但是这类芯片价格比恒压芯片价格高许多且外围电路复杂。同时因为恒定输出电流所以整个芯片的在电池作为供电的时候放电会比较快。

目前脉冲式驱动芯片是以高频率的脉冲发生器输出接口向LED灯供电。因为是脉冲信号频率很高所以人眼根本无法感觉出LED的频闪,所以这个方式即符合了视觉需要又在一方面有效节约了电能输出。而且这类型芯片的工作频率一般可由外部接口控制。但是目前该类型芯片震荡频率一般在100KHz~500KHz范围。所以目前的驱动能力仅仅适合小功率应用。但是相信在不久的将来会提升到大功率LED驱动的场合。

极性

LED 极性[1]
LED 极性[1]

由于LED工作于直流电,连接线路时必须确保极性方向正确才能正常工作。与二极管一样,LED的接脚分正极(阳极、+)及负极(阴极、-),电流必须由正极流向负极,LED才能发光

LED接脚的极性一般可以由其封装上看出,但不同封装其标示方式也不同。除封装外,也有其他途径得知LED的极性,以下列出常见的标示方法:

端子名称: 阳极 阴极
极性:
符号: +
插入式封装
thru-hole
接脚长度
内部接点外观
(部分厂商不依规范,不可尽信)
大而平
外壳边缘形状
PCB焊盘形状
PCB上的焊盘编号 2 1
贴片封装

SMD

封装上的记号 一横划
PCB上的焊盘编号 2 1


另外也可以由以下方法找出:

  • 生产商资料中找出。
  • 万用表测试。模拟式万用表可以用电阻挡测试(注意模拟式万用表测试针的正负极是倒转的的);数字式万用表大多有测试二极管的功能,但两者能测的最高偏压都有限制,模拟式万用表受内部电池所限,数字式万用表则因厂方设计而异。
  • 低压恒流源也是理想的测试工具。例如用固定电压电源串连一个电阻。

电阻推动

以电阻控制电流的基本LED推动线路
以电阻控制电流的基本LED推动线路
LED串联电路
LED串联电路
当LED总顺向偏压接近或高于电源电压时以多枚电阻控制电流
当LED总顺向偏压接近或高于电源电压时以多枚电阻控制电流

要推动LED就要控制流过LED的电流,基本推动方法就是将LED跟电阻串联,以电阻限制电流在一定的范围内。这个方法好处是简单、成本低,但缺点是不少能量在电阻转化为热能而浪费掉,而且LED的光度也随着温度、电压、LED生产时的特性差异而有比较大的变化。

以电阻控制LED电流时,其电阻计算方法如下:

由于LED与电阻串联,流经电阻之电流=流经LED之电流,因此

而需电阻值为:

当中

为流经电阻的电流,
为流经LED的电流,
为电源电原,
为LED的顺向偏压。

当多于一枚LED时,最好使用串联接法,这可使不同的LED都有相同的电流,总顺向偏压在串联时就等于各LED顺向偏压的总和。LED顺向偏压的总和越接近电源电压,电流就越不稳定。如果LED的数目多至其所需总顺向偏压接近或高于电源电压,那就需用多个限流电阻分别对个别LED串作电流控制。

把LED并联非不可行,一般都尽量避免,因为生产过程做成的特性差异会使每枚LED的顺向偏压有轻微的分别,但并联时各LED的顺向偏压一样,流经各LED的电流就会有差异而导致光度、寿命不一致,所以需要把LED作特性配对才能保持光度接近,对零件供应、成本等造成压力。

以半导体构成的恒流源推动LED

半导体可以构成相当稳定的恒流源,较以电阻控制电流稳定得多。一枚或多枚晶体管也可以构成简单的恒流源,晶体管构成的恒流源简单、成本低,使用运算放大器可以有更精确的电流控制,但线路较复杂,而且需要另加一个参考电压源,成本大很多。这些线路的电流控制已相当精确,特别是使用运算放大器的线路,但功耗大、效率低的问题仍然是无法解决,对于大功率LED并不合适。最主要的原因是由于以线性方式控制电流,功耗消耗在电流控制元件内。

有些集成电路专为推动LED而设计,其检测点做成的电压降可以低至~0.2V的级数,这些集成电路多数都以开关式电源转换]以控制LED电流恒定,开关式转换配合mV级的检测点电压降使整体功耗十分低,但也有集成电路采线性电路控制LED的电流,例如安森美半导体有集成电路设计用于单一枚锂离子电池下推动白色光LED,由于采用线性电路,因功耗问题,输出电流不能太大。

光度控制

要改变LED的光度有两种方式:直接改变流过LED的电流,或以快速开关LED以达至改变LED的平均功耗。

要设定LED光度,最直接的方法就是设定LED的电流,LED光度与电流并不成线性关系,要知道什么的电流值才可以达到预期的光度,可以参考生产商资料提供有关电流与光度关系的资料,又或以可变电流源推动LED下找出合适电流值。
但LED光度与电流并不成线性关系,若在使用中须要调变光度,以线性电路产生所需控制讯号的改变较难达至预期相对应的光度变化。

D是占空比,D=0%时LED全闭,D=100%时LED全导通,改变占空比可任意调变LED光度
D是占空比,D=0%时LED全闭,D=100%时LED全导通,改变占空比可任意调变LED光度

另一改变LED光度的方法是快速开关LED,以脉冲宽度调制(Pulse width modulation - PWM),在每个重复的开关周期内,改变导通与关闭的时间比例(也即是占空比),改变流经LED的平均电流(平均功耗),从而控制LED的光度,由于LED导通时工作在较大电流,偏压比连续导通高,因此消耗在控制元件上的功耗较少,效率略高。只要闪烁频率高于人眼的视觉暂留,LED看起来就象连续发光一样。而只要改变占空比,LED的光度就能在使用中调变。

在白色LED使用脉冲宽度调制控制LED光度有另一好处,白色LED的色温随电流强弱而转变,在脉冲宽度调制控制下,导通电流在不同光度下都不变,因此能在不同光度保持色温不变。

led 供电方式

一般LED为直流供电(具极性),但在于一般家用、商用LED电路为多种零组件组成(集成电路),一最常见的LED灯管和LED探照灯都使用交流电,普通灯管T5 T8 皆可改装(拆除启动器安定器)相对应电路达到其效果。

但是这种灯管或是灯具本身并无极性之分,亦也没有单边、双边供电的问题(参照电力系统单双边供电[2]),灯管双边接点也不会影响其双边单边供电的意义

参考文献

  1. ^ Plastic infrared light emitting diode (PDF). Fairchild Semiconductor. 2001-10-31 [2009-05-15]. (原始内容 (PDF)存档于2008-10-07). 
  2. ^ 地下铁道设计与施工. 陕西科学技术出版社. 1997-01-01. ISBN 9787536925847 (中文). 
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