基于一种高亮度的白光LED串联电路设计

为驱动一个以上的高亮度白光led,设计工程师需要选择是串联连接led或是并联连接led。当然,每种连接方式都会给设计带来折衷。
并联连接只需在每个led两端施加较低的电压,但需要利用镇流电阻或电流源来保证每个led的亮度一致。如果流过每个led的偏置电流大小不同,则它们的亮度也不同,从而导致整个光源亮度不均匀。然而,利用镇流电阻或电流源来保证led的亮度一致将缩短电池的使用寿命。
采用串联连接本质上可以很好保证电流的一致性,但需要给led串施加较高电压。为达到适当的照明亮度,普通白光led需要3.6v偏置电压和最大20ma的偏置电流。
这个电路可以分成两个部分:由q1和q2组成的升压电路,以及由q3和jfet1组成的控制电路。假设q1截止,当电池电压略高于q2的vvb时,q2基极将流过正电流(ib=(电池电压vbe)/rjet1)。此时,q2导通,电感l1接地。
随着l1上的电流以di/dt的速度增大,能量在l1磁场中保存起来。随着电流逐渐增大,它也流过q2的电阻rsat(sd1和led串处于截止状态)。q2的集电极电压足够高,能使q1导通。q1的基极电压通过由r1和c1组成的前馈网络连到q2的集电极。r1也被用来限制q1的基极电流。
当q1导通后,驱动q2的基极接地,于是q2截止,l1的能量随着磁场减弱被释放到led串中。
l1的快速回零动作在led串上施加了高于26v的正向偏置电压,使led发出白光。由于人眼感觉不到led的高频闪烁,所以该电路可提供亮度恒定的照明。当l1放电结束后,q1返回到截止状态。
正常工作时,这个自振荡动作重复进行,直到电池电压下降到小于q2的vbe 与jfet1压降(大约1v)之和,这时q2不再导通。l1、q2的 rsat和q1、q2的开关特性也会影响振荡周期和占空比。
电池组(4个碱性电池)的电压被提高到26v以上,以便向由7个串联的白光led组成的led串提供正向偏置。
流经r4的小直流电流(不到20ua)对q3进行偏置,以调节jfet1的通道电阻,从而调节电池漏电流以延长电池寿命。jfet1的栅极电压比电池组电压高0.9v左右。这里p-jfet被用作耗尽型器件,当vgs等于零时,p-jfet导通。
jfet的源极连接电池端子。设计工程师可通过提高栅极电压(比电池正电压更高)来关断该通道。栅极电压比电池电压越高,通道电阻就越大。
因此,当电池组电压从6v下降到3v时,振荡频率下降(jfet1的vgs将略有变化)。此时,led的亮度略微下降。理想情况下,控制环路将保持led电流不变。但人眼对光的灵敏度服从准对数关系,因此在电池组电压下降到2v左右以前,亮度的小幅度线性下降不易被察觉。
另一种方案是保持电池的输出功率(电流与电压之积)不变。由于存在电池内阻损耗,虽然这样做可保持led亮度不变,但将缩短电池寿命,此外电路的复杂性也将大大提高。总之,这个简单电路的led亮度将在整个电池寿命期间变化很小。
可以稍微调节led串的亮度,比如设计工程师通过稍微改变r2的阻值来针对三极管和led的制造偏差进行调节,这样光输出(单位:流明)可被设为固定值。
当电池组能量即将耗尽时,可以把发光暗淡的led串短路,而只连接一个led,这时只要电池组还有1v的剩余电压,就可以让这个led发出强光。这种单led连接方式可以利用废弃的电池提供最后紧急照明。
从安全方面考虑,当使用碱性电池时所有电池必须匹配。当电池组中能量最少的电池的能量完全耗尽,而其它电池还有足够能量对能量耗尽的电池形成反向偏压时,将导致能量耗尽的电池过热并泄漏乳状酸液,从而产生安全问题。
为实现电池匹配,应保证用同一包装的新电池同时更换全部4个电池。4个aa碱性电池的额定容量为4×1000mah,这意味着led可以连续照明约61个小时。电路原型的测试结果表明其连续照明时间为两天(48小时)多一点。
来源;国际led网

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