因小功率白光LED拥有发热量小,价格低廉,光效高等特点,被大范围的应用到了普通照明,景观照明等领域。因此小功率LED驱动电源的设计和性能上的提高也就有了迫切的需求。LED照明灯通常采用市电供电,由于LED工作电压低,电流小等特点,用市电驱动LED要解决降压和整流问题,还要有比较高的效率,较小的体积和较低成本。LED是电流驱动器件,其亮度与正向电流成正比,为了保证LED发光高效均匀、LED驱动源应为恒电流输出。因此设计高效简单,价格低廉的LED驱动源成为解决上述问题的重点。本文设计一种基于恒流二极管的小功率LED驱动电路,工频市电供电,输出电流恒定。
1 LED连接方式
要保证LED可以正常工作,只有合理的匹配设计。在设计LED照明系统时,需要考虑选用什么样的LED驱动器,以及LED的连接方式。小功率白光LED的正向电压范围一般为2.8~4V,工作电流为15~20mA。照明用的LED灯一般是多个这样的小功率LED通过串并联方式组合在一起的,这些LED通常需要匹配以产生均匀的亮度。另外还需要采用合理的方式将这些LED连接在一起,不能因为其中一颗LED灯珠损坏而导致整个LED灯组不能工作。
将多个同型号的LED串接在一起,流过每个LED的电流相等。LED一致性较差时,虽然不同LED灯珠正向电压不同,但流过每个LED的电流相等,每个LED灯珠的亮度将会一致。LED串联连接驱动源输出电压要求较大,电流必须恒定在20mA以下。当其中一个LED因为品质不良断路后,将会导致整个LED灯组不亮,这对LED灯珠的品质和焊接工艺要求较高。
多个LED灯珠全部并联,需要驱动器输出较大的电流,输出电压在3V左右。并联连接方式可以避免一个LED烧坏后整个灯组熄灭这一严重缺陷。由于LED发光强度与工作电流成正比关系,LED灯珠之间参数存在一定差异,流过每个LED灯珠的电流不一致,直接导致LED发光亮度不均匀。采用恒流方式驱动并联LED时,LED灯珠应尽量多的并联,防止因为其中几颗LED烧坏,致使流过其他LED的电流增加而烧坏。
为了提高可靠性、发光均匀性,提出了交叉阵列连接方式,图1为LED交叉阵列连接方式图。
从图中可以看出当其中个别LED短路或断路,也不会引起整个灯组熄灭。这种交叉阵列连接方式具有线路简单,亮度稳定,可靠性高,对驱动要求较低等特点。
2小功率LED驱动电路设计
2.1电容降压电路
LED采用交流市电供电时,必须经过AC/DC以及DC/DC转换将高电压的交流电转换为低压直流电,目前降压电路主要有工频变压器线性降压电路,高频开关电路,基于IC的降压电路,电容降压电路等几类。考虑到驱动电源的体积与成本,本文采用电容式降压电路。图2为电容降压电路:
图2中无极性降压电容C1的充放电电流为IC=2πfCU0(U0为交流电压,f为交流频率),降压电容C1向负载提供的电流I0实际上就是流过C1的充放电电流IC。当负载电流小于的充放电电流时,多余的电流就会流过滤波电容C2。若U0=220V,f=50Hz则IC=69C(IC的单位为mA,C的单位为μF)。为了能够保证降压电容安全可靠工作,其耐压值应大于2倍市电电压,因此降压电容宜选用耐压值630V的独石电容。R1为1MΩ放电电阻,当电路断电C1通过R1快速放电,D1—D4为IN4007组成的全波整流桥。为了获得较好的滤波效果,选择的滤波电容的容量应满足RLC=(3~5)T/2(RL为负载电阻,T为0.02s),耐压值应大于1.12U0(U0为电容降压电路输出电压)。原则上,电容值取的越大,输出电压越平滑其纹波值越小。但是随着电容容量的增大,一般其体积也随之增大,在考虑电路板面积的情况下,应尽量选择大容量的滤波电容。
2.2市电供电的小功率LED驱动电路
基于恒流二极管的市电供电小功率LED驱动电路如图3所示:
图中D5,D6为恒流二极管,本设计采用的恒流二极管为贵州博越公司的2DHL系列。2DHL系列恒电流二极管是一种硅材料制造的基础电子器件。
从图可以看出电路在100ms时进入稳定状态,稳定后其输出电压为25V输出电流恒定为60mA。基本验证了基于恒流二极管的小功率LED驱动电路的可行性。
3实验分析
为了进一步验证了基于恒流二极管的小功率LED驱动电路的可行性。制作了驱动65颗(5*15方式连接)0.06W白光LED的驱动源,其中降压电容C1为1.5μF,滤波电容C2为1000μF,恒流二极管为两颗2DHL040并联,并利用万用表对电流电压进行测量。实际测得输入电压在196~248V范围内输出电流恒定为80mA,相当于流过每个LED电流为16mA。在219V输入电压条件下,整个电路消耗的功率为7.1W,则驱动源的功率因素为0.47。图5为制作的小功率驱动源实物图。
4总结
本文设计的基于恒流二极管小功率LED驱动电路结构简单、成本低廉、满足LED恒流驱动的要求,经过多次实验验证本驱动电路可靠性很高。通过改变降压电容可适合用作多种LED灯具电源。
虽然驱动电路功率因素较低,但特别适合低端照明市场应用。LED相比传统光源发光效率高,小功率LED灯发光亮度即可与大功率的日光灯媲美,因此采用本驱动源的LED灯整体上还是节能的。
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