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LED路灯驱动及智能调光系统设计

导读: 驱动电路是由HV9931 控制的Buck - Boost - Buck 电路,直接由市电供电实现恒流驱动且带有PFC 功能; 调光方式采用PWM 调光,用TLS2561 作为光强度传感器,由PIC16C62 控制产生PWM 调光信号控制HV9931 实现智能调光。

  驱动电路是由HV9931 控制的Buck - Boost - Buck 电路,直接由市电供电实现恒流驱动且带有PFC 功能; 调光方式采用PWM 调光,用TLS2561 作为光强度传感器,由PIC16C62 控制产生PWM 调光信号控制HV9931 实现智能调光。

  实验结果表明该电路转换效率高,功率因数高,输入电流的THD 小,白光LED 路灯光色纯正而且节能,很有市场前景而且有进一步研究的价值。

  1 引言

  LED 被认为是绿色的第四代光源,是一种固体冷光源,具有高效、寿命长、安全环保、体积小、响应速度快等诸多优点, 目前已经在城市景观装、交通信号与商业广告上广泛应用。近年来随着制造工艺的不断发展, 大功率高亮度LED 性能不断提升,价格不断下降, 目前达到同样的明明效果,LED 的耗电量大约是白炽灯的1 /10,荧光灯的1 /2[2].这些都使得其开始应用于一般照明中, 而且很有发展前景,大有取代白炽灯和荧光灯这些传统光源的趋势,世博会上LED 灯的应用可以说代表着这个方向。LED 调光可以节能,高亮度白光LED 的驱动和调光是近年来研究的热点,本文在这方面进行了些研究, 并设计了一款带有功率因数校正的LED 路灯驱动和智能调光系统。

  2 LED 特性、驱动要求及调光方式

  LED 的理论光效为300lm /W.目前实验室水平达260lm /W,市场化水平在120lm /W 以上。高亮度LED 的一般导通电压约为3. 0 ~ 4. 3V,但其核心仍是PN 结,其伏安特性与普通二极管相同。当加在LED 上电压小于其导通电压时,LED 上几乎没有电流通过。但当LED 导通后,其正向电流随正向电压按指数规律变化,很小的电压波动就会引起很大的电流变化。在导通区电压从额定值的80% 上升到100% ,电流则从其额定值的0% 上升到100%.

图1 LED 相对光通量与正向电流关系

  图1 是LED 相对光通量和其正向电流IF 的关系图。图中可以看出LED 的光通量和其正向电流成正比的关系,因此可能通过控制LED 的正向电流来控制其发光亮度。LED 若采用恒压源驱动,很小的电压变化将引起很大的电流变化,因此恒压驱动只适用于要求不高的小功率的场合下。在要求高的场合和大功率的场合下LED 都要采用恒流驱动。研究表明,LED 发光亮度随工作时间下降,亮度下降后光效随电流的增加而减少,LED 的亮度与驱动电流成饱和关系。LED 的电流达到其额定电流的70% ~80% 后,很大比例的电流转化成了热能,因此LED的驱动电流宜为工作电流额定电流的70% ~80%。在恒压驱动或PWM 调光中, 最大电流不宜超过最小电流的3 倍,否则的话冲击电流会大大减少LED 的使用寿命[8].目前来说市场化单个LED的功率都不大,大都在10W 以下,实际用于照明是把多个LED 按一定方或串并联之后形成LED 阵列。

  从图1 也可得出, 改变LED 的电流即可改变LED 的亮度。改变电流有两种方式,相应的LED 调光也有两种方式。一种是连续调节LED 中电流的大小来改变LED 的亮度,这种方式称之为模拟调光,通过LED 中的电流是连续的; 另一种是通改变LED流过电流的时间与关断的时间之比来改变LED 的亮度,LED 流过电流时电流是恒定的, 关断时流过LED 的电流为零,这种方式称为PWM 调光,它是通过人眼察觉不到的频率快速的开关LED,开关频应不小于100Hz.两种调光方式当流过LED 中的平均电流相同时,其效果是一样的。由于LED 在某一大小特定的电流时会发出最纯的白光,随着电流偏离这个值,会有色偏。另外,LED 的响应时间只有几纳秒到几十纳秒,很适合频繁开关的场合,所以LED 调光以PWM 调光方式好,此外这种方式还有利于LED 散热。

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