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                        大功率LED智能化照明控制系统设计

                        [09-15 23:17:43]   来源:http://www.mkld.icu  信息显示与光电技术   阅读:9668

                         

                        概要:电压变化很小时,电流变化很大。当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比,如图1所示。(2)光特性根据LED的发光原理,LED的发光亮度基本随LED的电流正向变化。控制大功率LED的发光亮度,实质是控制它的输出光通量。(3)温 度LED正向电流的大小也是随温度变化而变化的。环境温度一旦超过某一值,白光LED的容许正向电流会大幅度降低。在此情况下,如果仍旧施加大电流,很容易造成白光LED老化。图2是LED的温度与正向电流关系曲线。2系统方案设计光源系统的稳定性与驱动电源有很大的关系,瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易对其造成损坏。驱动电源的性能直接影响整个光源系统的工作寿命、稳定性等性能。大功率LED所需的驱动电源为直流的低电压.所以传统上用以驱动灯泡(钨丝)、口光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。根据以上大功率LED特性,VF的微小变化会引起较大的IF变化;电流过强会引起LED光的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度;温度升高时LED的势垒电势降低,电流会越来越大。因此采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性.并且影响LED的可靠性、寿命和光衰,故超高亮LED通常适?#30636;?#29992;恒流源驱动。另外,要提高发光的效率,设计具有完善

                        大功率LED智能化照明控制系统设计,http://www.mkld.icu

                          引  言

                          随着LED技术的?#27426;?#21457;展,推动了白光LED的问世,照明产业开始了绿色照明时代。由于LED能耗少、热辐射低、发光效率高,是一种节能、环保、经济、安全的新型照明器件,因此,加快技术研究并提高其发光效率成为当今首要问题。大功率LED要成为照明业的主体,其中安全、高效的驱动研究是推广应用大功率LED的关键。

                          1  大功率LED工作特性

                          LED是一种新型半导体固态冷光源,它是一种能够将电能转化为可见光的光电器件。一般来说,大功率LED的功率至少在1 W以上,目前比较常见的有1 W、3 W、5 W、8 W和10 W;被称为“绿色光源”的LED,正朝着大电流(300 mA~1.4 A)、高效率(60~120 lm/W)、亮度可调的方向发展。

                          (1)伏安特性

                          大功率LED是低电压、大电流的驱动器件,当LED电压变化很小时,电流变化很大。当正向电压超过某个阈值,即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比,如图1所示。


                          (2)光特性

                          根据LED的发光原理,LED的发光亮度基本随LED的电流正向变化。控制大功率LED的发光亮度,实质是控制它的输出光通量。

                          (3)温  度

                          LED正向电流的大小也是随温度变化而变化的。环境温度一旦超过某一值,白光LED的容许正向电流会大幅度降低。在此情况下,如果仍旧施加大电流,很容易造成白光LED老化。图2是LED的温度与正向电流关系曲线。


                          2系统方案设计

                          光源系统的稳定性与驱动电源有很大的关系,瞬态的电流或电压尖峰等许多因素都很容易对其造成损坏。驱动电源的性能直接影响整个光源系统的工作寿命、稳定性等性能。大功率LED所需的驱动电源为直流的低电压.所以传统上用以驱动灯泡(钨丝)、口光灯、节能灯、钠灯等光源的电源并不适合直接驱动大功率LED。根据以上大功率LED特性,VF的微小变化会引起较大的IF变化;电流过强会引起LED光的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度;温度升高时LED的势垒电势降低,电流会越来越大。因此采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性.并且影响LED的可靠性、寿命和光衰,故超高亮LED通常适?#30636;?#29992;恒流源驱动。另外,要提高发光的效率,设计具有完善、可靠的保护功能的LED驱动系统,具备自动控制与检测的智能型LED驱动成为技术发展的必要途径。本文采用?#24067;?#30005;路设计和软件程序设计相结?#31995;?#26041;法,以单片机为核心,通过负反馈调整输出电流以达到稳定的目的,从而完成亮度可调的适合于多种大功率LED的智能驱动系统,使系统的性能得到很大的改善和提高,有效地解决了光源输出稳定性和可靠性的问题。系统原理框图如图3所示。


                          2.1可控恒流源

                          图4是系统中用到的恒流源电路。该电路属于电流串联负反馈的拓扑结构,由集成运放和MOS管构成。为了实现可调恒流源控制,在运算放大器的同相输入端引入由D/A输出的可调电压信号Vin,使其成为受控恒流源。在反向输人端连接采样电阻R。恒流源的输出电流直接取决于D/A的输出电压和采样电阻R1的比值,用公式表示为:Is=Vin/R。


                          集成运放LM358内部包括2个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器,具有高增益、失调电压影响小、3~30 V的宽电源电压范围,且可用作电压跟随器。运放配合MOSFET RF830通过反馈跟随输入电压Vin,功率MOSFET的基极与运放的输出?#26029;?#36830;,用来增加驱动电流。当LM358的同相端输入电压恒定时,由于负反馈的存在,保证了LM358输出电压恒定,从而使流经LED负载的电流为恒定电流。本设计是在0~30 V电源供电的条件下,调节电流源的输入电压Vin从0~2.4 V变化,控制恒流源电路得到0~2.4 A的电流输出,由此可计算采样电阻的阻值应该为1 Ω来保证所需的恒流数值。

                          采样电阻的选择会直接影响恒流源的稳定度。当输出电流达到?#27426;?#31243;度时,R必然会发热引起自身阻值的变化,这是影响恒流源输出电流值精度的一个关键因素。同时,A/D转换通过采样R?#31995;?#30005;压值为单片机进行闭环控制提供数据,因本设计最大输出电流为2.4 A,所以R的功率应足够大。为此,采用了温度系数比较小的?#20302;?#26448;料制作的阻值为1 Ω、功率为10 W的电阻。此外,MOSFET是电压控制?#25512;?#20214;,稳态时其栅极所需控制电流IG?#36127;?#20026;0,不会影响输出电流UD的精度,从而保证了恒流源的输出电流精度。对于电?#20998;蠱OSFET管也应选取大功率管以满足电流的要求,本系统采用漏极电流达4.5 A、耗散功率为74 W的N沟道增强型MOSFET管RF830。

                          2.2  自动控制单元

                          上述可控恒流源的设计已满足了电源的稳定输出的要求,但电源的稳定只是光源稳定的必要条件。因为在电源稳定的情况下,光源输出电流仍会在长时间工作中出现波动。系统中自动控制模块主要由键盘、LED数字显示、具有A/D和D/A控制等功能的单片机(C8051F040)系统组成。其中4个按键(S1~S4)控制实现2个功能,2个选择键,2个加减键。当LED光源改变,LED的电?#38382;?#36319;随改变,所要求的恒流值也改变,通过选择按键1设定当前LED的所需电流值;当固定LED光源,控制其达到恒流工作情况时,通过S2可方便设定LED发光亮度。系统电路设计原理如图5所示。

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