大功率LED智能化照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著LED 技術(shù)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了白光LED 的問世,照明產(chǎn)業(yè)開始了綠色照明時(shí)代。由于LED 能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高,是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全的新型照明器件,因此,加快技術(shù)研究并提高其發(fā)光效率成為當(dāng)今首要問題。大功率LED 要成為照明業(yè)的主體,其中安全、高效的驅(qū)動(dòng)研究是推廣應(yīng)用大功率LED的關(guān)鍵。

1 大功率LED 工作特性

LED 是一種新型半導(dǎo)體固態(tài)冷光源,它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的光電器件。一般來說, 大功率LED 的功率至少在1 W 以上,目前比較常見的有1 W、3 W、5 W、8 W和10 W;被稱為“綠色光源”的LED ,正朝著大電流(300 mA～1. 4 A) 、高效率(60～120 lm/ W) 、亮度可調(diào)的方向發(fā)展[1 ] 。

(1) 伏安特性

大功率LED 是低電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)器件,當(dāng)LED電壓變化很小時(shí),電流變化很大。當(dāng)正向電壓超過某個(gè)閾值,即通常所說的導(dǎo)通電壓之后,可近似認(rèn)為, IF 與VF 成正比,如圖1 所示。

(2) 光特性

根據(jù)LED 的發(fā)光原理,LED 的發(fā)光亮度基本隨LED的電流正向變化?？刂拼蠊β蔐ED 的發(fā)光亮度,實(shí)質(zhì)是控制它的輸出光通量。

(3) 溫度

LED 正向電流的大小也是隨溫度變化而變化的。環(huán)境溫度一旦超過某一值,白光LED 的容許正向電流會(huì)大幅度降低。在此情況下,如果仍舊施加大電流,很容易造成白光LED 老化。圖2 是LED 的溫度與正向電流關(guān)系曲線。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與驅(qū)動(dòng)電源有很大的關(guān)系,瞬態(tài)的電流或電壓尖峰等許多因素都很容易對(duì)其造成損壞。驅(qū)動(dòng)電源的性能直接影響整個(gè)光源系統(tǒng)的工作壽命、穩(wěn)定性等性能[ 2 ] 。大功率LED 所需的驅(qū)動(dòng)電源為直流的低電壓,所以傳統(tǒng)上用以驅(qū)動(dòng)燈泡(鎢絲) 、日光燈、節(jié)能燈、鈉燈等光源的電源并不適合直接驅(qū)動(dòng)大功率LED。根據(jù)以上大功率LED 特性,V F 的微小變化會(huì)引起較大的IF 變化;電流過強(qiáng)會(huì)引起LED 光的衰減,電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度;溫度升高時(shí)LED 的勢(shì)壘電勢(shì)降低,電流會(huì)越來越大。因此采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED 亮度的一致性,并且影響LED 的可靠性、壽命和光衰,故超高亮LED通常適宜采用恒流源驅(qū)動(dòng)。另外,要提高發(fā)光的效率,設(shè)計(jì)具有完善、可靠的保護(hù)功能的LED 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),具備自動(dòng)控制與檢測(cè)的智能型LED 驅(qū)動(dòng)成為技術(shù)發(fā)展的必要途徑。本文采用硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法,以單片機(jī)為核心,通過負(fù)反饋調(diào)整輸出電流以達(dá)到穩(wěn)定的目的,從而完成亮度可調(diào)的適合于多種大功率LED的智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),使系統(tǒng)的性能得到很大的改善和提高,有效地解決了光源輸出穩(wěn)定性和可靠性的問題。系統(tǒng)原理框圖如圖3 所示。

2. 1 　可控恒流源

圖4 是系統(tǒng)中用到的恒流源電路。該電路屬于電流串聯(lián)負(fù)反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由集成運(yùn)放和MOS 管構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)恒流源控制,在運(yùn)算放大器的同相輸入端引入由D/ A 輸出的可調(diào)電壓信號(hào)V in ,使其成為受控恒流源。在反向輸入端連接采樣電阻R。恒流源的輸出電流直接取決于D/ A 的輸出電壓和采樣電阻R1 的比值,用公式表示為[ 3 ]：

集成運(yùn)放LM358 內(nèi)部包括2 個(gè)獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器,具有高增益、失調(diào)電壓影響小、3～30 V 的寬電源電壓范圍,且可用作電壓跟隨器。運(yùn)放配合MOSFET RF830 通過反饋跟隨輸入電壓V in ,功率MOSFET 的基極與運(yùn)放的輸出級(jí)相連,用來增加驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)LM358 的同相端輸入電壓恒定時(shí),由于負(fù)反饋的存在,保證了LM358 輸出電壓恒定,從而使流經(jīng)LED 負(fù)載的電流為恒定電流。本設(shè)計(jì)是在0～30 V 電源供電的條件下,調(diào)節(jié)電流源的輸入電壓V in 從0～2. 4 V 變化,控制恒流源電路得到0～2. 4 A 的電流輸出,由此可計(jì)算采

樣電阻的阻值應(yīng)該為1 Ω來保證所需的恒流數(shù)值。

采樣電阻的選擇會(huì)直接影響恒流源的穩(wěn)定度。當(dāng)輸出電流達(dá)到一定程度時(shí), R 必然會(huì)發(fā)熱引起自身阻值的變化,這是影響恒流源輸出電流值精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。同時(shí),A/ D 轉(zhuǎn)換通過采樣R 上的電壓值為單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù),因本設(shè)計(jì)最大輸出電流為2. 4 A ,所以R 的功

率應(yīng)足夠大。為此,采用了溫度系數(shù)比較小的康銅材料制作的阻值為1 Ω、功率為10 W的電阻。此外,MOSFET 是電壓控制型器件,穩(wěn)態(tài)時(shí)其柵極所需控制電流IG 幾乎為0 ,不會(huì)影響輸出電流UD 的精度,從而保證了恒流源的輸出電流精度。對(duì)于電路中MOSFET 管也應(yīng)選取大功率管以滿足電流的要求,本系統(tǒng)采用漏極電流達(dá)4. 5 A、耗散功率為74 W的N 溝道增強(qiáng)型MOSFET 管RF830 。

2. 2 　自動(dòng)控制單元

上述可控恒流源的設(shè)計(jì)已滿足了電源的穩(wěn)定輸出的要求,但電源的穩(wěn)定只是光源穩(wěn)定的必要條件。因?yàn)樵陔娫捶€(wěn)定的情況下,光源輸出電流仍會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間工作中出現(xiàn)波動(dòng)[ 4 ] 。系統(tǒng)中自動(dòng)控制模塊主要由鍵盤、LED 數(shù)字顯示、具有A/ D 和D/ A 控制等功能的單片機(jī)(C8051F040)

系統(tǒng)組成。其中4 個(gè)按鍵( S1～S4) 控制實(shí)現(xiàn)2 個(gè)功能,2個(gè)選擇鍵,2 個(gè)加減鍵。當(dāng)LED 光源改變,LED 的電參數(shù)跟隨改變,所要求的恒流值也改變,通過選擇按鍵1 設(shè)定當(dāng)前LED 的所需電流值;當(dāng)固定LED 光源,控制其達(dá)到恒流工作情況時(shí),通過S2 可方便設(shè)定LED 發(fā)光亮度。系

統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理如圖5 所示。

此部分的主要功能是按給定電流值,提供調(diào)節(jié)輸出電流所需的精密電壓信號(hào)。首先采用鍵盤輸入方式設(shè)置給定電流值。根據(jù)單片機(jī)寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)過其內(nèi)置的12 位D/ A 轉(zhuǎn)換輸出直流電壓提供給恒流源的輸入電壓V in 使其得到一個(gè)穩(wěn)定的恒流輸出,再通過12 位A/ D 采樣將LED 輸出的電流數(shù)據(jù)送入單片機(jī),通過單片機(jī)處理計(jì)算出控制電壓,根據(jù)實(shí)際的電流與設(shè)定電流的比較,向單片機(jī)寫入新的數(shù)據(jù),從而更新輸出電流,再反饋回可控恒流源電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出電流的精確調(diào)節(jié),最后由數(shù)碼管分別顯示設(shè)定電流與輸出電流的數(shù)值。

C8051F040 作為控制系統(tǒng)的核心,其內(nèi)置12 位A/ D、D/ A 轉(zhuǎn)換,以及內(nèi)置的2. 4V 基準(zhǔn)電壓,更加方便系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)[5 ] 。根據(jù)基準(zhǔn)電壓,A/ D 輸出電流與D/ A 輸入的電壓范圍一一對(duì)應(yīng),用12 位A/ D 轉(zhuǎn)換所得電流精度可以達(dá)到0. 6 mA ,滿足設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序的設(shè)計(jì)主要包括初始化管理模塊、按鍵管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊,所有模塊都用單片機(jī)C51 語言編寫。根據(jù)硬件電路,整個(gè)單片機(jī)軟件部分主程序流程如圖6 所示。

在閉環(huán)比較運(yùn)算中,通過比較實(shí)際值與設(shè)定值的差值逼近標(biāo)準(zhǔn)值。如果實(shí)際值大于設(shè)定值,則將原來D/ A的入口數(shù)值減去這個(gè)差值再送去D/ A轉(zhuǎn)換;如果實(shí)際值小于設(shè)定值,則把原來D/ A的入口數(shù)值加上這個(gè)差值再送去轉(zhuǎn)換。循環(huán)比較,使實(shí)際值和設(shè)定值相一致后通過數(shù)碼管把穩(wěn)定的實(shí)際值顯示出來。

系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要由兩大關(guān)系所決定:設(shè)定值與A/ D 采樣顯示值的關(guān)系;內(nèi)部測(cè)量值與實(shí)際測(cè)量值的關(guān)系。后者是由于取樣電阻與負(fù)載電阻和晶體管的放大倍數(shù)受溫度的影響和測(cè)量?jī)x表的誤差所造成的。為了減少這種誤差,一定要選用溫度系數(shù)低的電阻作采樣電阻;而A/ D 與D/ A 轉(zhuǎn)換過程的誤差可以通過多次實(shí)驗(yàn)得出一定的比例關(guān)系,將所得的誤差加入系統(tǒng)程序中。

4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

數(shù)據(jù)測(cè)試是反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。本測(cè)試選用1 W、2 W、10 W的L ED ,依次加9 V、12 V、15 V 的電源電壓,通過按鍵設(shè)定所選功率L ED 對(duì)應(yīng)的輸出電流值(1 W—0. 35 mA ,2 W—0. 70 mA ,10 W—1 A) ,分別檢測(cè)對(duì)應(yīng)D/ A 轉(zhuǎn)換輸出電壓、電流源自身檢測(cè)到實(shí)際輸出電流值以及通過外部電流表測(cè)量的電流值和數(shù)碼管的2 個(gè)數(shù)據(jù)顯示值。其次針對(duì)2 W 的L ED 單獨(dú)進(jìn)行電流調(diào)節(jié),以10 mA 的步進(jìn)遞增遞減,觀察其發(fā)光亮度的變化。相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 、表2 所列。

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由單片機(jī)C8051F040 控制的精密恒流源,保證了大功率LED 的交效穩(wěn)定工作,對(duì)于不同功率LED 輸出電流滿足誤差精度在±3 mA 范圍內(nèi)的要求。另外,在進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)時(shí)可以看出,電流值小時(shí),輸出電流更接近給定電流;電流值較大時(shí),由于系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)致恒流源電源性能下降,引起誤差增大。誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差,同時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)采樣電阻發(fā)熱,阻值變化也會(huì)引起誤差。但總的看來,該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和精度。

結(jié)語

本系統(tǒng)通過單片機(jī)控制,有效地提高了光源輸出的電流穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化光源驅(qū)動(dòng)的智能控制,對(duì)大功率L ED 照明的發(fā)展具有很大的意義。在數(shù)據(jù)測(cè)試和調(diào)試方面,由于儀表存在誤差和電路器件因工作時(shí)間過長(zhǎng)溫度升高而產(chǎn)生的誤差,使得測(cè)量數(shù)據(jù)不是很精確,通過軟件設(shè)計(jì)盡可能減少誤差的存在,從而使輸出電流的誤差范圍減小到±2 mA ,大大提高了系統(tǒng)的精度。