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常見LED恒流源電路圖 詳解LED恒流源電路圖原理大全KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-04-24 

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LED恒流源電路圖

首先來看一下LED到底是什么樣的器件。因為LED的亮度是和它的正向電流成正比,而且一些LED的結構決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數LED會給出額定電流,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就是一個恒流器件。

本文先從采用恒流源的電路開始,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,發光管電流的大小由R2調整決定,為方便調整可用可變電阻調整后再換上相同阻值的固定電阻,本電路可帶發光管數量少則十幾只,最多可達到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,即使電壓波動較大,電路仍然能保持電流恒定不變,這對發光管的壽命是非常有利的,在此范圍內的電流都能基本保持恒定不變。本電路使用發光管數量也不可太少,越少其效率也越低。電路總耗電功率約6W。


LED恒流源電路圖


1. 恒流源的電路

在這里順便給大家講講LED采用并聯接法好還是采用串聯接法好?

LED采用并或串聯接法,主要應該根據電源盒電路的形式及要求決定。

采用串聯接法的電路,當其中一只LED斷路時整串的LED都不亮;但當其中一只LED短路時其他LED都還能亮。采用并聯接法的電路,當其中一只LED斷路時其它的LED都還能亮;但當其中一只LED短路時則整個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接法的電路較有優勢。

并聯接法只需要在每個LED兩端施加較低的電壓,但需要利用鎮流電阻或電流源來保證每個LED的亮度一致。如果流過每個LED的偏置電流大小不同,則它們的亮度也不同,從而導致整個光源亮度不均勻。然而,利用鎮流電阻或電流源來保證LED的亮度一致將縮短電池的使用壽命。


采用串聯接法本質上可以很好保證流過每只LED電流的一致性,但要求電源電壓要高。LED采用并聯接法時,由于電路的總電流是各個LED電流之和,所以要求電源要能供給足夠大的電流。


其實嚴格意義上并聯或串聯接法各有它們的優缺點。需要你在實用的予以考慮多方面因素。在實際運用中常采用串并聯形成的LED陣列,這樣可以克服或減小上述單個LED斷路或短路造成整串LED不亮或對整個電路和電源的影響。所謂串并聯就是先用少量LED串聯再串鎮流電阻組成一條支路,再將若干條支路并聯組成“支路組”。


此外,還能采用串并串形式,就是在已組成的“支路組”的基礎上,再將若干“支路組”串聯構成整個燈具電路,此種接法不僅縮小了一只LED故障時的影響面,而且將鎮流電阻化整為零,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,又可以將燈具設計的更緊湊。


首先任何電路我們必須要考慮其電源驅動,通常驅動LED采用專用恒流源或者驅動芯片,容易受體積和成本等因素的限制,最經濟實用的方法就是采用電容降壓式電源。


用它驅動小功率LED,具有不怕負載短路、電路簡單等優點,而且一個電路能驅動1~70個小功率LED(但是,這種電源電路啟動時的電流沖擊,尤其是頻繁啟動,會給LED造成破壞。當然,采取適當的保護便可避免這種沖擊,在這方面,可以采用安森美半導體的NUD4700 LED分流保護解決方案。


在LED正常工作時,泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態或浪涌條件時,LED就會開路,這時NUD4700分流保護器所在的分流通道激活,所帶來的壓降僅為1.0 V,將帶給電路的影響盡可能地減小。這器件采用節省空間的小型封裝,設計用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V),如果散熱處理恰當,也支持大于1 A電流的操作。

LED恒流源電路圖


2. 電容降壓式電源的典型電路

對驅動電路的檢查,應該根據電路圖仔細核對電路是否接錯,特別注意檢查整流橋(長腳的是正極輸出,其對角是負極輸出,另外兩腳是交流輸入)或整流二極管以及穩壓二極管的極性是否正確(印有黑線或白線的一端是負極),還有檢查晶體三極管或穩壓集成電路的三個電極是否錯接等。


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的LED的個數(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LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻,其阻值應隨著LED個數的增加適當增加。

由于電容降壓電源是一種非隔離式電源,在通電瞬間會產生很大的電流,也就是所謂的浪涌電流。此外,由于外界環境的影響(如雷擊) 電網系統會侵入各種浪涌信號,有些浪涌會導致LED的損壞。

所以,要提供熱敏電阻保護,這個主要有負溫度系數熱敏電阻保護(NTC熱敏電阻,NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫)和正溫度系數熱敏電阻保護(PTC(Positive Temperature Coefficient))然后有瞬態電壓抑制器保護((Transient Voltage Suppressor),簡稱TVS)

負溫度系數意思是負的溫度系數,泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件,限制浪涌電流的最簡單有效的方法是在線路輸入端串聯一只NTC熱敏電阻。

正溫度系數電流通過PTC熱敏電阻后引起溫度升高,即發熱體的溫度上升,當超過居里點溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,于是電流的下降導致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度又升高,周而復始。


瞬態電壓抑制器主要用于對電路元件進行快速過壓保護。當TVS管兩極受到反向瞬態高能量沖擊時,它能以10-12s量級的速度將兩極間的高阻抗變為很低的阻抗,吸收高能量的浪涌,將兩極間的電壓鉗位于個預定值,保護電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。


智能型LED恒流源就是一個實例。

1、經典的線性恒流源

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定,不隨輸入電壓和負載的變化而變化,而恒流電源則是輸出的電流恒定,不隨輸入電壓和負載的變化而變化。LED因為是一種半導體二極管,它的伏安特性具有負溫度系數,如果采用恒壓電源供電,就會使其電流越來越大而燒毀,所以必須采用恒流電源供電。而其實現方法,也有兩種,一種是開關型,另一種是線性型。開關型的優點是效率比較高(90%左右),缺點是元件數較多,可靠性低,體積大,成本高,而線性恒流源正好相反,元件數很少,可靠性高,體積很小,成本很低,缺點是效率很低,只有85%左右。

2、線性恒流源的效率

線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如圖1所示:

LED恒流源電路圖

在市電電壓為220V時,它的效率只有85%。

但是,在輸入電壓越低的時候,效率就高,那么有沒有可能讓這種線性恒流源在220V的時候效率也很高呢?

這需要我們來詳細地研究線性恒流源的電路構成和性能。

3、采用普通恒流二極管的線性恒流源

最簡單的線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:

LED恒流源電路圖

圖中的CRD就是恒流二極管,圖上采用了幾個CRD并聯,以得到所需的恒流值,實際上現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的方法來得到所需的恒流值了。所以只要采用一個恒流值相當的恒流二極管和所有LED相串聯就可以實現對LED的恒流供電,可見它的電路是十分簡單的!


它的工作原理可以從它的伏安特性中看出:

LED恒流源電路圖

它可以在Vk一直到POV很大的輸入直流電壓范圍內都保持電流恒定。而Vk的絕對值低于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,那么它消耗的功率就只有0.3W,其效率為(30-0.3)/30=99%。


但是當輸入電壓增加的時候,恒流二極管就必須承擔起消耗這些多余電壓的功能,它的工作點就右移,而功耗就逐漸增大,整體的效率也就逐漸降低,表現為其效率的線性下降。


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,看上去似乎無法避免的。

這也是一般教科書里就是那么說的。

4、采用自適應方法來提高線性恒流源的效率

為了提高線性恒流源的效率必須想出完全不同的途徑。

因為我們的應用是對LED的供電,LED就是我們的線性恒流源的負載。它的數目就必須滿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。當市電電壓增加時,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變,所增加的整流后電壓就必須由恒流二極管來承擔,這樣整體效率就必然降低。


那么有沒有辦法不要讓恒流二極管來承擔這個整流后電壓的升高呢?


最好的解決方法就是自適應地改變LED的數目。當市電電壓升高時,就增加LED的個數,當市電電壓降低時,就減少LED的數目,這可以很容易采用一種自適應的數字式開關電路來實現。它的原理圖如下所示。

LED恒流源電路圖

其中方塊中的這部分LED就是可以自適應地接入到主串LED中,也可以從主串中自適應地斷開。接入或斷開的個數由輸入電壓變化的大小而決定。它能感知輸入電壓的變化,并由此來決定LED數目的變化,所以它是自適應的,也可以說是智能的。

現在這種能夠自動開關的芯片已經由深圳埃菲萊公司開發成功,命名為AICS,意即Adaptive-Intelligence-Current-Source,也就是自適應-智能-電流-源。

5、智能型LED恒流源的性能

5.1、對輸入電壓的自適應 ?

如前所述,采用自適應控制以后,這種恒流源的效率可以高達99%。而且這個效率可以在很大的輸入電壓變化范圍內都能實現。下面就是效率和輸入電壓變化的關系曲線:

LED恒流源電路圖

圖中藍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內變化時,恒流源的效率都能保持99%不變,加上鎮流器的損耗也可以高于98%。

5.2、對溫度的自適應 ? ?

當環境溫度變化時,恒流二極管的功耗也會加大,例如當環境溫度升高時,由于LED伏安特性的負溫度系數,它的正向電壓也會降低,這時候LED串的總電壓就會低于整流后電壓,于是恒流二極管的壓降就會升高,功耗就會加大。這個智能的恒流源就會增加LED串中的LED數目,使得其總電壓升高,而使這個總電壓和整流后電壓仍然保持匹配從而保持高效率,其實測結果如下:

LED恒流源電路圖

由圖中可以看到,當環境溫度從35度升高到85度時,整個效率隨輸入電壓變化曲線幾乎完全一樣,始終保持在98%以上(包括了整流器的效率在內)。

5.3、對不同正向電壓的LED的自適應 ? ? ? ?

這種智能型LED恒流源還有一個自適應的功能,就是對不同正向電壓的LED的自適應。在同一個LED串中,可以采用具有不同正向電壓的LED,混編以后,自適應智能LED恒流源仍然可以自動地切換LED數,以保證其總效率在99%。

5.4、改變LED的數目而不改變其光通量 ?

如果只是改變LED的數目,由于恒流源的電流沒有改變,就會改變總的光通量。在智能型LED恒流源的整體設計中也考慮到這個問題,在改變LED數目的同時還自適應地改變恒流源的電流值,使得其總功率和總光通量不變。其結果如下:

LED恒流源電路圖

LED恒流源電路圖

LED恒流源電路圖

由圖中可見,采用這種自適應調節以后,在不同的輸入電壓范圍內,其輸入功率,輸出光通量和整體光效都基本上保持不變。

6、光電一體化的光引擎

這種智能型LED恒流源徹底打破了教科書里描述的線性恒流源效率很低的常規認識,而破天荒地實現了99%的效率。從而可以實現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。因為它本身的功耗極低,所以把它放到光源的鋁基板上不會增加LED的結溫。深圳埃菲萊公司采用這種智能型恒流源已經生產了一系列不同功率的光引擎:

LED恒流源電路圖


7、結束語

這種智能型的LED恒流源的效率高達99%,這等于是說實現了一種不耗電的恒流源。通常LED恒流源的效率為85-90%,也就是說采用這種智能型的恒流源以后就可以進一步節能10-15%。其意義是十分重大的!

中國的照明用電量為總用電量的14.5%,2014年總發電量為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約10%的能量,也就是819.2億度電,而三峽發電站的年發電量為847億度電,所以也就能夠節約出一個三峽發電站來。而全球照明用電量占總用電量的19%,2014全球總發電量為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約4535億度電,相當于5.5個三峽電站的發電量!

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LED恒流源電路圖