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(lái)源：本站 日期：2018-04-24
首先來(lái)看一下LED到底是什么樣的器件。因?yàn)長(zhǎng)ED的亮度是和它的正向電流成正比，而且一些LED的結(jié)構(gòu)決定了它的散熱也就是功耗。所以大多數(shù)LED會(huì)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(gè)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(fā)光管電流的大小由R2調(diào)整決定，為方便調(diào)整可用可變電阻調(diào)整后再換上相同阻值的固定電阻，本電路可帶發(fā)光管數(shù)量少則十幾只，最多可達(dá)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(dòng)較大，電路仍然能保持電流恒定不變，這對(duì)發(fā)光管的壽命是非常有利的，在此范圍內(nèi)的電流都能基本保持恒定不變。本電路使用發(fā)光管數(shù)量也不可太少，越少其效率也越低。電路總耗電功率約6W。
在這里順便給大家講講LED采用并聯(lián)接法好還是采用串聯(lián)接法好？
LED采用并或串聯(lián)接法，主要應(yīng)該根據(jù)電源盒電路的形式及要求決定。
采用串聯(lián)接法的電路，當(dāng)其中一只LED斷路時(shí)整串的LED都不亮；但當(dāng)其中一只LED短路時(shí)其他LED都還能亮。采用并聯(lián)接法的電路，當(dāng)其中一只LED斷路時(shí)其它的LED都還能亮;但當(dāng)其中一只LED短路時(shí)則整個(gè)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(lián)接法的電路較有優(yōu)勢(shì)。
并聯(lián)接法只需要在每個(gè)LED兩端施加較低的電壓，但需要利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證每個(gè)LED的亮度一致。如果流過每個(gè)LED的偏置電流大小不同，則它們的亮度也不同，從而導(dǎo)致整個(gè)光源亮度不均勻。然而，利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來(lái)保證LED的亮度一致將縮短電池的使用壽命。
采用串聯(lián)接法本質(zhì)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(lián)接法時(shí)，由于電路的總電流是各個(gè)LED電流之和，所以要求電源要能供給足夠大的電流。
其實(shí)嚴(yán)格意義上并聯(lián)或串聯(lián)接法各有它們的優(yōu)缺點(diǎn)。需要你在實(shí)用的予以考慮多方面因素。在實(shí)際運(yùn)用中常采用串并聯(lián)形成的LED陣列，這樣可以克服或減小上述單個(gè)LED斷路或短路造成整串LED不亮或?qū)φ麄€(gè)電路和電源的影響。所謂串并聯(lián)就是先用少量LED串聯(lián)再串鎮(zhèn)流電阻組成一條支路，再將若干條支路并聯(lián)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(chǔ)上，再將若干“支路組”串聯(lián)構(gòu)成整個(gè)燈具電路，此種接法不僅縮小了一只LED故障時(shí)的影響面，而且將鎮(zhèn)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(shè)計(jì)的更緊湊。
首先任何電路我們必須要考慮其電源驅(qū)動(dòng)，通常驅(qū)動(dòng)LED采用專用恒流源或者驅(qū)動(dòng)芯片，容易受體積和成本等因素的限制，最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。
用它驅(qū)動(dòng)小功率LED，具有不怕負(fù)載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且一個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)1～70個(gè)小功率LED(但是，這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，尤其是頻繁啟動(dòng)，會(huì)給LED造成破壞。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)便可避免這種沖擊，在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUD4700 LED分流保護(hù)解決方案。
在LED正常工作時(shí)，泄漏電流僅為近100 μA;而在遭遇瞬態(tài)或浪涌條件時(shí)，LED就會(huì)開路，這時(shí)NUD4700分流保護(hù)器所在的分流通道激活，所帶來(lái)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(jié)省空間的小型封裝，設(shè)計(jì)用于1 W LED(額定電流為350 mA@ 3 V)，如果散熱處理恰當(dāng)，也支持大于1 A電流的操作。
對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的檢查，應(yīng)該根據(jù)電路圖仔細(xì)核對(duì)電路是否接錯(cuò)，特別注意檢查整流橋(長(zhǎng)腳的是正極輸出,其對(duì)角是負(fù)極輸出，另外兩腳是交流輸入)或整流二極管以及穩(wěn)壓二極管的極性是否正確(印有黑線或白線的一端是負(fù)極)，還有檢查晶體三極管或穩(wěn)壓集成電路的三個(gè)電極是否錯(cuò)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(gè)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(lián)的LED的個(gè)數(shù)(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(duì)LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻，其阻值應(yīng)隨著LED個(gè)數(shù)的增加適當(dāng)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(huì)產(chǎn)生很大的電流，也就是所謂的浪涌電流。此外，由于外界環(huán)境的影響(如雷擊) 電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌信號(hào)，有些浪涌會(huì)導(dǎo)致LED的損壞。
所以，要提供熱敏電阻保護(hù)，這個(gè)主要有負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)(NTC熱敏電阻，NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫)和正溫度系數(shù)熱敏電阻保護(hù)(PTC(Positive Temperature Coefficient))然后有瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù)((Transient Voltage Suppressor)，簡(jiǎn)稱TVS)
負(fù)溫度系數(shù)意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻。
正溫度系數(shù)電流通過PTC熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)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(fù)始。
瞬態(tài)電壓抑制器主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過壓保護(hù)。當(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12s量級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞浚瑢蓸O間的電壓鉗位于個(gè)預(yù)定值，保護(hù)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(gè)實(shí)例。
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(wěn)定，不隨輸入電壓和負(fù)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(fù)載的變化而變化。LED因?yàn)槭且环N半導(dǎo)體二極管，它的伏安特性具有負(fù)溫度系數(shù)，如果采用恒壓電源供電，就會(huì)使其電流越來(lái)越大而燒毀，所以必須采用恒流電源供電。而其實(shí)現(xiàn)方法，也有兩種，一種是開關(guān)型，另一種是線性型。開關(guān)型的優(yōu)點(diǎn)是效率比較高（90%左右），缺點(diǎn)是元件數(shù)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(shù)很少，可靠性高，體積很小，成本很低，缺點(diǎn)是效率很低，只有85%左右。
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：
在市電電壓為220V時(shí)，它的效率只有85%。
但是，在輸入電壓越低的時(shí)候，效率就高，那么有沒有可能讓這種線性恒流源在220V的時(shí)候效率也很高呢？
這需要我們來(lái)詳細(xì)地研究線性恒流源的電路構(gòu)成和性能。
最簡(jiǎn)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：
圖中的CRD就是恒流二極管，圖上采用了幾個(gè)CRD并聯(lián)，以得到所需的恒流值，實(shí)際上現(xiàn)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(lián)的方法來(lái)得到所需的恒流值了。所以只要采用一個(gè)恒流值相當(dāng)?shù)暮懔鞫O管和所有LED相串聯(lián)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的恒流供電，可見它的電路是十分簡(jiǎn)單的！
它的工作原理可以從它的伏安特性中看出：
它可以在Vk一直到POV很大的輸入直流電壓范圍內(nèi)都保持電流恒定。而Vk的絕對(duì)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(diǎn)，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(dāng)輸入電壓增加的時(shí)候，恒流二極管就必須承擔(dān)起消耗這些多余電壓的功能，它的工作點(diǎn)就右移，而功耗就逐漸增大，整體的效率也就逐漸降低，表現(xiàn)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(wú)法避免的。
這也是一般教科書里就是那么說(shuō)的。
為了提高線性恒流源的效率必須想出完全不同的途徑。
因?yàn)槲覀兊膽?yīng)用是對(duì)LED的供電，LED就是我們的線性恒流源的負(fù)載。它的數(shù)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(lián)。當(dāng)市電電壓增加時(shí)，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(huì)變，所增加的整流后電壓就必須由恒流二極管來(lái)承擔(dān)，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(lái)承擔(dān)這個(gè)整流后電壓的升高呢？
最好的解決方法就是自適應(yīng)地改變LED的數(shù)目。當(dāng)市電電壓升高時(shí)，就增加LED的個(gè)數(shù)，當(dāng)市電電壓降低時(shí)，就減少LED的數(shù)目，這可以很容易采用一種自適應(yīng)的數(shù)字式開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的原理圖如下所示。
其中方塊中的這部分LED就是可以自適應(yīng)地接入到主串LED中，也可以從主串中自適應(yīng)地?cái)嚅_。接入或斷開的個(gè)數(shù)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(lái)決定LED數(shù)目的變化，所以它是自適應(yīng)的，也可以說(shuō)是智能的。
現(xiàn)在這種能夠自動(dòng)開關(guān)的芯片已經(jīng)由深圳埃菲萊公司開發(fā)成功，命名為AICS，意即Adaptive-Intelligence-Current-Source，也就是自適應(yīng)-智能-電流-源。
如前所述，采用自適應(yīng)控制以后，這種恒流源的效率可以高達(dá)99%。而且這個(gè)效率可以在很大的輸入電壓變化范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)。下面就是效率和輸入電壓變化的關(guān)系曲線：
圖中藍(lán)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(nèi)變化時(shí)，恒流源的效率都能保持99%不變，加上鎮(zhèn)流器的損耗也可以高于98%。
當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，恒流二極管的功耗也會(huì)加大，例如當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于LED伏安特性的負(fù)溫度系數(shù)，它的正向電壓也會(huì)降低，這時(shí)候LED串的總電壓就會(huì)低于整流后電壓，于是恒流二極管的壓降就會(huì)升高，功耗就會(huì)加大。這個(gè)智能的恒流源就會(huì)增加LED串中的LED數(shù)目，使得其總電壓升高，而使這個(gè)總電壓和整流后電壓仍然保持匹配從而保持高效率，其實(shí)測(cè)結(jié)果如下：
由圖中可以看到，當(dāng)環(huán)境溫度從35度升高到85度時(shí)，整個(gè)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(nèi)）。
這種智能型LED恒流源還有一個(gè)自適應(yīng)的功能，就是對(duì)不同正向電壓的LED的自適應(yīng)。在同一個(gè)LED串中，可以采用具有不同正向電壓的LED，混編以后，自適應(yīng)智能LED恒流源仍然可以自動(dòng)地切換LED數(shù)，以保證其總效率在99%。
如果只是改變LED的數(shù)目，由于恒流源的電流沒有改變，就會(huì)改變總的光通量。在智能型LED恒流源的整體設(shè)計(jì)中也考慮到這個(gè)問題，在改變LED數(shù)目的同時(shí)還自適應(yīng)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(jié)果如下：
由圖中可見，采用這種自適應(yīng)調(diào)節(jié)以后，在不同的輸入電壓范圍內(nèi)，其輸入功率，輸出光通量和整體光效都基本上保持不變。
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(guī)認(rèn)識(shí)，而破天荒地實(shí)現(xiàn)了99%的效率。從而可以實(shí)現(xiàn)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?yàn)樗旧淼墓臉O低，所以把它放到光源的鋁基板上不會(huì)增加LED的結(jié)溫。深圳埃菲萊公司采用這種智能型恒流源已經(jīng)生產(chǎn)了一系列不同功率的光引擎：
7、結(jié)束語(yǔ)
這種智能型的LED恒流源的效率高達(dá)99%，這等于是說(shuō)實(shí)現(xiàn)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(shuō)采用這種智能型的恒流源以后就可以進(jìn)一步節(jié)能10-15%。其意義是十分重大的！
中國(guó)的照明用電量為總用電量的14.5%，2014年總發(fā)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(jié)約10%的能量，也就是819.2億度電，而三峽發(fā)電站的年發(fā)電量為847億度電，所以也就能夠節(jié)約出一個(gè)三峽發(fā)電站來(lái)。而全球照明用電量占總用電量的19%，2014全球總發(fā)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(jié)約4535億度電，相當(dāng)于5.5個(gè)三峽電站的發(fā)電量！
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