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改善應(yīng)用瓶頸!LED電源驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2015-03-05 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】目前驅(qū)動(dòng)電路的性能多數(shù)均不穩(wěn)定,LED驅(qū)動(dòng)電源仍存在轉(zhuǎn)換效率差、功率因數(shù)低、輸出電流穩(wěn)定性不好、壽命不能與LED相匹配等問(wèn)題,已成為制約LED照明裝置進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。本文設(shè)計(jì)基于LF—F301的LED驅(qū)動(dòng)電路改善了這些不足。
 
近年來(lái),世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和能源發(fā)展格局發(fā)生了較大變化,各國(guó)都關(guān)心著能源問(wèn)題,擔(dān)心常規(guī)能源的大量使用會(huì)威脅到人類的生存環(huán)境。為貫徹可持續(xù)發(fā)展,許多國(guó)家在新能源的開(kāi)發(fā)利用上投入了大量的人力物力,21世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新照明時(shí)代。由于在不同地域條件下,太陽(yáng)能和風(fēng)力資源分布各不相同。為取得最大的風(fēng)光利用率,采用了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的輸入。
 
目前驅(qū)動(dòng)電路的性能多數(shù)均不穩(wěn)定,LED驅(qū)動(dòng)電源仍存在轉(zhuǎn)換效率差、功率因數(shù)低、輸出電流穩(wěn)定性不好、壽命不能與LED相匹配等問(wèn)題,已成為制約LED照明裝置進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。本文設(shè)計(jì)基于LF—F301的LED驅(qū)動(dòng)電路改善了這些不足,其是基于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)而成的,在整個(gè)系統(tǒng)中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能提供給LED路燈使用,不足部分由工頻電網(wǎng)提供,電路與工頻電網(wǎng)長(zhǎng)期相連,并通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)組合的方式,使其能夠應(yīng)用在更多的場(chǎng)合。
 
1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
 
1.1 LED驅(qū)動(dòng)條件
 
LED節(jié)能燈的快速發(fā)展,使得LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格,整個(gè)電路不僅要安全低功耗,還應(yīng)該具有恒流特性,即電源電壓變動(dòng)幅度<15%時(shí),輸出電流的變化幅度不超過(guò)10%,這樣才能保證LED驅(qū)動(dòng)電路較高的能量利用效率。
 
1.2 驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)
 
此驅(qū)動(dòng)電路使用恒流電源驅(qū)動(dòng)方法,專為T10 LED燈設(shè)計(jì),不僅可應(yīng)用在鬧市區(qū),工業(yè)園區(qū)和大學(xué)校園,也可應(yīng)用在孤島,鄉(xiāng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū),市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。同時(shí)整個(gè)電路采用了特殊的開(kāi)關(guān)控制方式,使其具有高效率,節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)研究和物理電路測(cè)量,驅(qū)動(dòng)電路具有以下特點(diǎn):工作頻率50~60 Hz;功率24 W;寬輸入電壓AC 110~265 V/50~60 Hz;輸出電流0.24A;輸出電壓:36 V≤Uout≤0.6 Uin;體積為175 mm×18 mm×11 mm;直流50 V~80V。這些參數(shù)確保了LED驅(qū)動(dòng)電路使用時(shí)安全穩(wěn)定,使其具有恒流精度高,電磁兼容性較好的特征。
 
1.3 驅(qū)動(dòng)電路電路設(shè)計(jì)
 
驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖1所示,通過(guò)橋式整流器,電流直接被送到LED負(fù)載的正極,然后通過(guò)負(fù)極,經(jīng)由變壓器到達(dá)晶體管Q1,最后又通過(guò)橋式整流器,這就是該負(fù)載電路電流的主要回路。當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí),R17就充當(dāng)保護(hù)電路的負(fù)載,保證電路不會(huì)短路。C1在這里起到濾波以及平衡負(fù)載兩端電壓的作用。D1為蓄流二極管,保證變壓器正常工作。電路圖的下半部分,是由兩個(gè)芯片和Q1組成的反饋調(diào)節(jié)電路。Q1能根據(jù)U1的變化情況,向變壓器發(fā)出高頻電流。當(dāng)負(fù)載電流過(guò)載時(shí),電流會(huì)通過(guò)R7和R8到達(dá)U2,使得U2右邊的二極管發(fā)熱,導(dǎo)致U2左邊的電壓降低,同時(shí)反饋到U1,U1通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和頻率控制電路,從而使系統(tǒng)電路輸出恒定電流。
 
圖1:LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖
 
2 LF-F301驅(qū)動(dòng)電路原理分析
 
2.1 工作模塊
 
如圖2所示,此電路通過(guò)變壓器輸出適當(dāng)?shù)碾娏鳎?dāng)有LED負(fù)載時(shí),電路中通入適當(dāng)?shù)碾娏骱皖l率使LED正常工作;當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí),變壓器中仍然殘留有能量,需要釋放。此時(shí)由R17等構(gòu)成的回路,可以慢慢地釋放變壓器中的電能。但當(dāng)電流突然減小時(shí),變壓器中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由此會(huì)產(chǎn)生較高的反向電壓,可能會(huì)擊穿器件。為了克服這個(gè)問(wèn)題,在線圈的兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D1,同時(shí)在電路輸出端串聯(lián)R15,并且在R15兩端并聯(lián)R2,R3,R4,R6。R15有降壓作用,并且能為反饋電路提供電壓。由于R15承受的功率較大,容易燒壞,所以預(yù)備一個(gè)由R2,R3,R4和R6的并聯(lián)等效電阻,這樣每個(gè)電阻承受的功率變小,在增加使用壽命的同時(shí),能夠減少維修費(fèi)用。
 
圖2:工作模塊
 
2.2 采樣模塊
 
如圖3所示,采樣電流經(jīng)過(guò)傳感器U2將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),并輸出到芯片U1的2號(hào)引腳。
 
圖3:取樣模塊
 
2.3 控制模塊
 
如圖4所示,電路通過(guò)T1、D7獲取穩(wěn)定的22 V電壓,供給芯片工作,芯片通過(guò)2號(hào)引腳進(jìn)行取樣輸入,C4對(duì)電路的頻率和電壓進(jìn)行控制。
 
圖4:控制模塊
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3 蓄電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)
 
合理的蓄電池充放電,不僅可以延長(zhǎng)蓄電池壽命,且能提升整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此需要設(shè)計(jì)保護(hù)電路,以保證蓄電池能在一定的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電。本項(xiàng)目使用3級(jí)級(jí)聯(lián)的12 V鉛酸蓄電池。由于過(guò)充電路與過(guò)放電路有相似性,本文只給出蓄電池的過(guò)放電路,如圖5所示。電源電壓正常時(shí),調(diào)節(jié)電位器RP1使放大器的同相輸入端的電位略高于反相輸入端的電位,此時(shí)放大器輸出低電平,VT截止,電路正常工作。當(dāng)電源電壓<10.5 V時(shí),反相輸入端的電位大于同相輸入端的電位,放大器會(huì)輸出高電平,調(diào)節(jié)RP2,使VT導(dǎo)通,此時(shí)負(fù)載與電源斷開(kāi)。
 
圖5:蓄電池保護(hù)電路
 
4 電路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
 
光控開(kāi)關(guān)的基本原理是光敏效應(yīng),當(dāng)光照達(dá)到一定值時(shí),開(kāi)關(guān)開(kāi)通,否則自動(dòng)關(guān)斷。時(shí)控開(kāi)關(guān)按設(shè)定的時(shí)間開(kāi)啟或關(guān)斷電路。然而在燈光控制領(lǐng)域應(yīng)用光控開(kāi)關(guān)時(shí),即使感光頭放在較為合適的位置,在早晨和傍晚采集到的光照強(qiáng)度也是不穩(wěn)定的。若把光控開(kāi)關(guān)和時(shí)控開(kāi)關(guān)的輸出端串聯(lián)在一起,光傳感器測(cè)得外界環(huán)境的光照強(qiáng)度,定時(shí)器給出所需設(shè)定的時(shí)間范圍,便能更好地控制電路的關(guān)斷,不僅節(jié)約電能,還延長(zhǎng)了LED燈的使用壽命。
 
4.1 光控模塊
 
其由光電轉(zhuǎn)換模塊和光敏電阻組成。光電轉(zhuǎn)換由比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光敏探頭感應(yīng)的光照強(qiáng)度不強(qiáng)時(shí),比較器會(huì)輸出高電位,否則輸出低電位。具體電路如圖6所示。R1分擔(dān)電路電壓,依照外界環(huán)境條件,選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑂2,控制比較器中正相輸入的電壓值,使其作為比較器工作的參考電壓;R3起到保護(hù)光敏電阻以及分壓的作用。光敏電阻的阻值隨著外界光強(qiáng)的變化而變化,這樣就可將光信號(hào)變換成電壓信號(hào),以此作為信號(hào)電壓連接到比較器的反相輸入端。比較兩個(gè)輸入端的電壓大小。若信號(hào)電壓較小,比較器輸出高電平,否則比較器輸出低電平。從而實(shí)現(xiàn)在明亮條件下輸出低電平,在黑暗條件下輸出高電平的設(shè)計(jì)要求。
 
圖6:光控模塊
 
4.2 時(shí)控模塊
 
時(shí)控模塊以定時(shí)器為基礎(chǔ)。當(dāng)光控模塊輸出高電平時(shí),時(shí)控模塊進(jìn)入工作狀態(tài),分為3個(gè)階段:
 
(1)光強(qiáng)慢慢減弱,控制LED燈實(shí)現(xiàn)半光照明。
(2)車流高峰時(shí)段,控制LED燈實(shí)行全光照明。
(3)進(jìn)入下半夜,控制LED燈采用半光照明。
 
5 結(jié)束語(yǔ)
 
風(fēng)光互補(bǔ)電路驅(qū)動(dòng)LED發(fā)展迅速,而且使用環(huán)境廣闊。本文闡述了驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用意義以及前景,分析了驅(qū)動(dòng)電路的技術(shù)要求,設(shè)計(jì)了LED電源驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路要求,改進(jìn)電路開(kāi)關(guān)的同時(shí),設(shè)計(jì)了蓄電池充放電保護(hù)電路,提高了整個(gè)電路的工作效率,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。
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