基于IRIS4011的大功率藍(lán)光LED光源設(shè)計(jì)
譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛,LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)高強(qiáng)度藍(lán)光LED的不斷研發(fā)產(chǎn)生了好幾代亮度越來越高的器件,在1990年左右推出的基于碳化硅裸片材料的LED的效率大約是0.04lm/W,發(fā)出的光強(qiáng)度很少有超過15 mcd的。20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了第一個(gè)基于GaN的實(shí)用LED?,F(xiàn)在還有許多公司在用不同的基底(如藍(lán)寶石和碳化硅)生產(chǎn)GaN LED,這些LED能夠發(fā)出綠色、藍(lán)色或紫羅蘭等顏色的光。高亮度藍(lán)色LED的發(fā)明使真彩廣告顯示屏的實(shí)現(xiàn)成為可能,這樣的顯示屏能夠顯示真彩、全運(yùn)動(dòng)的視頻圖像。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,目前能生產(chǎn)功率高達(dá)100 W,光通量可達(dá)2 000 lm大功率高亮度的藍(lán)光LED。因此它作為一種有著廣
泛應(yīng)用前景的技術(shù),有必要對(duì)其做深入的研究。水下成像系統(tǒng)是建立在海水對(duì)藍(lán)綠光(480~540 nm)低損耗窗口的基礎(chǔ)上所建立的一種的水下成像系統(tǒng)。它不但能用于普通水中,而且能用于渾濁水中,甚至在漆黑的海底也能進(jìn)行觀察。本文主要是基于大功率藍(lán)光LED水下成像系統(tǒng)的研究。大功率藍(lán)光LED(≥50 W)光源驅(qū)動(dòng)電路是基于大功率蘭光LED的水下成像系統(tǒng)的研究與分析的重要組成部分。
1 基本原理和電路設(shè)計(jì)對(duì)水下成像系統(tǒng)而言,光源的選擇至關(guān)重要,光源的穩(wěn)定性、均勻性、響應(yīng)速度及其光波波長范圍是系統(tǒng)成像的關(guān)鍵。采用藍(lán)光LED所發(fā)出光光經(jīng)過水介質(zhì)——目標(biāo)反射——水介質(zhì)——接收光學(xué)系統(tǒng),最終在成像傳感器(CCD,ICCD)上成像。這就決定了LED必須工作在快脈沖驅(qū)動(dòng)方式下,目前市場上的驅(qū)動(dòng)電路一般均丁作在慢脈沖驅(qū)動(dòng)模式(μs量級(jí)),遠(yuǎn)不能滿足我們的要求。因此,我們必須自己解決快脈沖驅(qū)動(dòng)電路這一難題,尤其是實(shí)現(xiàn)以ns量級(jí)的大功率快脈沖來驅(qū)動(dòng)大功率的LED?;谶@種實(shí)驗(yàn)實(shí)際需求,我們研究開發(fā)了此種快脈沖驅(qū)動(dòng)電路。該電路的基本功能是產(chǎn)生低頻、快速、大功率驅(qū)動(dòng)電流脈沖信號(hào),輸出脈沖的頻率與周期精確度高,穩(wěn)定性好,脈沖信號(hào)寬度在20~100 ns內(nèi)分5檔可調(diào),輸出在50 Hz的基準(zhǔn)頻率下工作。脈沖信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路,輸出一個(gè)快脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出電流開關(guān),產(chǎn)生一個(gè)大電流脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)大功率LED。為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求和目的,我們采用晶振電路產(chǎn)生高精度頻率/周期基準(zhǔn)脈沖作為內(nèi)置信號(hào)源,通過對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行多次分頻,產(chǎn)生所需頻率的輸出脈沖信號(hào),這樣可以獲得頻率穩(wěn)定的脈沖信號(hào),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了頻率選擇。經(jīng)過分頻后的脈沖信號(hào)再經(jīng)過脈沖寬度成形電路實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié),然后經(jīng)過電流開關(guān)電路,產(chǎn)生大電流脈沖,使LED發(fā)光。該驅(qū)動(dòng)電路主要由以下幾個(gè)部分組成:信號(hào)源、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度電路、TTL輸出、驅(qū)動(dòng)電路和電流開關(guān)電路。其框圖如圖1所示。
2 主要單元電路與原理
如前所述,該電路主要由信號(hào)源電路、分頻電路、頻率選擇、脈沖寬度成形電路、驅(qū)動(dòng)電路、大功率電流開關(guān)等單元電路組成。內(nèi)置的信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過分頻、脈寬成形之后,送入驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)大功率電流開關(guān)控制大功率藍(lán)光LED光源電路工作。同步的TTL輸出信號(hào)可作為檢測信號(hào)或其他電路的觸發(fā)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
2.1 信號(hào)源電路用石英晶體與非對(duì)稱式多諧振蕩器的耦合電容串連起來,就可以組成石英晶體多諧振蕩器,該電路的振蕩頻率取決于石英晶體的固有頻率f0,與外接電阻參數(shù)無關(guān),耦合電容起到微調(diào)與補(bǔ)償振蕩頻率的作用。我們采用固有頻率f0為10 MHz的石英晶體構(gòu)成內(nèi)置信號(hào)源,其輸出脈沖的頻率/周期精確度高,穩(wěn)定性好。
2.2 分頻電路和脈沖成形電路由晶振電路我們得到10MHz的脈沖信號(hào),進(jìn)行5次10分頻和一次2分頻就得到了我們所需要的50Hz基準(zhǔn)脈沖。所有的分頻都是由10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC390來完成。成形電路采用DS1040-100可編程脈沖信號(hào)成形器件,該集成電路有一個(gè)輸入端,和兩個(gè)極性相反的輸出端,頻率選擇電路將頻率為50 Hz輸出信號(hào)送入DS1040的輸入端,輸出脈沖信號(hào)的寬度是由DS1040-100上的3個(gè)控制端(P0、P1、P2)來控制的。通過設(shè)置撥碼開關(guān)選擇,選擇20、40、60、80、100ns等5種不同寬度的脈沖信號(hào),成形信號(hào)穩(wěn)定性好,滿足水下成像系統(tǒng)的需要。
2.3 驅(qū)動(dòng)電路基于IRIS4011的電路由輸入保護(hù)電路,EMI抑制電路,輸入整流濾波電路,直流變換電路,輸出濾波電路,輔助供電電路,二次恒壓/恒流反饋電路組成。輸入電壓:85~264 VAC;輸入頻率47~63 Hz;輸出電壓5~24 VDC;輸出電流2.5 A;恒流精度±2.5%;最大輸出功率:60 W。利用變壓器的電感與瓷片電容實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振工作模式,電路簡單,可靠性高。準(zhǔn)諧振控制模式,能提高電路的轉(zhuǎn)換效率,降低EMI干擾。用放大器來實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流控制,可以得到很高的控制精度。在輸出電流比較大的電路中,必須用放大器控制形式才能提高控制精度與提高電路轉(zhuǎn)換效率。限于篇幅,把電路圖分成2部分,具體的電路如圖2所示。
2.4 輸出電流開關(guān)電路
通過成形電路的信號(hào),控制大功率藍(lán)光LED發(fā)光,驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電流開關(guān)。電流開關(guān)選用一種大功率高頻三極管,為了滿足LED驅(qū)動(dòng)電流的需求,將4只三極管并聯(lián),使流過LED的脈沖電流最大達(dá)到2.5 A,保證了LED在額定功率下工作,達(dá)到穩(wěn)定光源的目的。在輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下,三極管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),LED兩端產(chǎn)生一定的壓降,大電流流過LED,使大功率藍(lán)光LED發(fā)光,作為距離選通水下成像系統(tǒng)的光源,電路如圖3所示。
3 結(jié)論
水下成像系統(tǒng)是基于大功率藍(lán)光LED光源主動(dòng)照明和CCD技術(shù)相結(jié)合,通過調(diào)節(jié)光束的發(fā)散角來照射水下目標(biāo)場景,將目標(biāo)全部或目標(biāo)的關(guān)鍵特征部位照亮,實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)的成像。而大功率藍(lán)光LED光源的驅(qū)動(dòng)電路是成像系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。本文設(shè)計(jì)的大功率藍(lán)光LED光源驅(qū)動(dòng)電路已通過測試,已經(jīng)應(yīng)用于成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)內(nèi)置脈沖發(fā)生器輸出信號(hào)、LED驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的測試,表明光源驅(qū)動(dòng)電路各項(xiàng)性能
達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求:經(jīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行驗(yàn)證,電源驅(qū)動(dòng)電路工作穩(wěn)定,滿足水下成像系統(tǒng)對(duì)光源的要求。大功率藍(lán)光LED光源的驅(qū)動(dòng)電路在設(shè)計(jì)上采用晶振電路構(gòu)成內(nèi)置信號(hào)源,保證了所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的頻率精確度和穩(wěn)定度。頻率選擇通過面板的手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行設(shè)置,并聯(lián)使用大功率的高速三極管,解決了大功率藍(lán)光LED光源高速驅(qū)動(dòng)的問題。