三色LED燈恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

鄔麗娜， 鄧建平

(蘇州職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系， 江蘇 蘇州 215104)

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三色LED燈恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

鄔麗娜， 鄧建平

(蘇州職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系， 江蘇 蘇州 215104)

設(shè)計(jì)和制作了一套三色LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)電路。采用恒流源驅(qū)動(dòng)方式, LED 上流過的電流將不受電壓和環(huán)境溫度變化, 以及LED 參數(shù)離散性的影響，從而能充分發(fā)揮LED 的各種優(yōu)良特性。主要通過數(shù)控直流恒流源實(shí)現(xiàn)對(duì)4只三色LED燈的控制，每只LED燈的單色流經(jīng)額定電流為100 mA，并具有調(diào)色溫和過流保護(hù)功能。還采用AT89S52單片機(jī)、AD、DA模塊實(shí)現(xiàn)電壓采樣，1602液晶可顯示LED中某單色支路的當(dāng)前電流值，并加入聲控模塊來實(shí)現(xiàn)LED變色效果。

LED; 恒流源; 色溫; 聲控模塊; 1602液晶

0 引 言

具有環(huán)保、節(jié)能、高效優(yōu)點(diǎn)的LED燈在照明方面有了越來越廣泛的應(yīng)用，并有取代傳統(tǒng)光源的趨勢(shì)。目前小功率LED照明產(chǎn)品中廣泛采用兩種驅(qū)動(dòng)電路形式：恒流驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)[1]。而采用恒流源驅(qū)動(dòng), LED 上流過的電流將不受電壓和環(huán)境溫度變化, 以及LED 參數(shù)離散性的影響，從而能充分發(fā)揮LED 的各種優(yōu)良特性。因此研究簡(jiǎn)單、廉價(jià)的驅(qū)動(dòng)電路具有重要意義[2]。本文重點(diǎn)介紹一種基于數(shù)控直流恒流源控制的三色LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

設(shè)計(jì)要求：針對(duì)4只紅、綠、藍(lán)三色LED燈來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，每只LED單色為1 W，單色上允許流經(jīng)額定電流均為100 mA，誤差控制在±5 mA，可設(shè)置LED燈的色溫。電路還具有當(dāng)LED單色流過電流超過150 mA時(shí)自動(dòng)關(guān)閉電源過流保護(hù)功能，以及考慮聲控模塊來控制LED變色功能。系統(tǒng)框圖見圖1。

設(shè)計(jì)初期考慮控制色溫，PWM支路比較多，單片機(jī)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力較弱，需外接驅(qū)動(dòng)電路，成本難以控制。最終采用在LED單色回路中加入恒流源來驅(qū)動(dòng)的方案， 4只LED燈的同一色并聯(lián)后統(tǒng)一接入恒流源中[3]。該系統(tǒng)主要由主控電路、電源、D/A和恒流源、A/D和1602液晶模塊、色溫設(shè)置模塊、聲控模塊、過流保護(hù)模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，綜合應(yīng)用了模擬電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、開關(guān)電源和單片機(jī)信號(hào)處理等技術(shù)[4]。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 電源和控制器電路

本設(shè)計(jì)中，主控電路即為一個(gè)52系列單片機(jī)的最小系統(tǒng)，單片機(jī)選擇了Atmel公司的AT89C52。本設(shè)計(jì)中還采用了HKS05003電源模塊，該模塊能夠?yàn)锳T89C52提供5 V，3 A的持續(xù)負(fù)載電流。這種寬電壓輸入、大電流輸出的特性，以及滿載無需外接散熱器，是7805所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的。該電源模塊效率非常高，內(nèi)置電感、肖特基、灌封膠密封，廣泛用于LED，車載MP3、MP4等領(lǐng)域[5]。HKS05003電源模塊接線圖如圖2所示。

圖2 HKS05003電源模塊

2.2 基于TLC5615的D/A和恒流源模塊

恒流源產(chǎn)生恒定電流是本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最主要部分。實(shí)驗(yàn)過程中選擇好D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)和類型，將影響到恒流源的精度和工作時(shí)間。綜合考慮采用TLC5615，它是一個(gè)串行10 bit DAC芯片，它以10 bit開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換[6]。DA和恒流源模塊仿真調(diào)試電路圖如圖3所示。由AT89C52輸出給TLC5615數(shù)字信號(hào)后，配合DCSCLK腳上時(shí)序脈沖，完成TLC5615給后續(xù)恒流源LM358運(yùn)放DAOUT1信號(hào)。

由運(yùn)算放大器LM358組成的恒流源是利用了運(yùn)算放大器的兩個(gè)基本特性：虛短路和虛路。其中R12為采樣電阻，采用康銅絲繞制而成。運(yùn)算放大器U5是一個(gè)電壓跟隨器，該電路加了擴(kuò)流部分[7]。采用MOS管2N6660作為運(yùn)算放大器的括流器件。輸入阻抗高，基本沒有分流，因此電流全部流入負(fù)載R12。若U5的輸入電壓為Uin，根據(jù)疊加原理，流經(jīng)R12的電流完全由輸入控制電壓Uin決定，I=Uin/R12。

圖3 DA和恒流源模塊

由于U5的輸入端不取電流，電流完全由輸入控制電壓Uin決定，實(shí)現(xiàn)了壓控直流電流源的功能。圖3中，當(dāng)LM358的2、3引腳輸入為電壓源所示1 V時(shí)，串聯(lián)在R12回路中電流源顯示0.1 A，滿足了I=Uin/R12的關(guān)系。經(jīng)多組仿真調(diào)試結(jié)果分析：0～150 mA時(shí)，該恒流源特性效果很好，誤差控制在±5 mA內(nèi)。

2.3 AD和1602顯示電路

本設(shè)計(jì)在實(shí)物調(diào)試方面還考慮對(duì)R12電阻上AD1端口上電壓進(jìn)行ADC0804采樣后經(jīng)單片機(jī)處理后1602液晶上顯示電流值的功能。ADC0804是一種低價(jià)位的8 bit逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。在此采用直接連接的方式與處理器連接，從而構(gòu)成廉價(jià)的測(cè)控系統(tǒng)[8]。1602液晶顯示，有占用端口少驅(qū)動(dòng)電流小，顯示功能較全面的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)LED某一色的R12所在電流為50 mA時(shí)可看到此時(shí)1602液晶顯示也為50 mA。

2.4 色溫設(shè)置模塊和過流保護(hù)模塊

色溫設(shè)置模塊考慮采用3按鍵BLUE、GREEN、RED結(jié)合軟件編程來完成3顏色所在電路電流值的可調(diào)。每按1次鍵對(duì)應(yīng)顏色所在電路的電流就增加10 mA，因?yàn)橛羞^流保護(hù)所以顏色所在電路的電流達(dá)到峰值150 mA后就軟件設(shè)置復(fù)位為0。所以可實(shí)現(xiàn)通過改變電流值來改變對(duì)應(yīng)顏色的深淺度，完成色溫控制效果[9]。

過流保護(hù)采用了圖3恒流源模塊中的Q6和繼電器RTE24005F，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)AD采樣得到的電流值與150 mA相比較。一旦當(dāng)前電流大于150 mA，圖3中單片機(jī)guan端口送出低電平Q6導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作恒流源出現(xiàn)斷路，從而達(dá)到過流保護(hù)功能[10]。

2.5 聲控模塊

聲控模塊的作用是采集人的聲音，將采集到的信號(hào)可先送入LM358運(yùn)放放大，然后單片機(jī)處理后控制TLC5615的輸出[11]。聲音采集電路和具體采樣到的聲音波形如圖4所示。

圖4 聲音變送器波形圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除了仿真，在實(shí)驗(yàn)階段我們還對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試，看電路是否達(dá)到恒流效果。采取對(duì)實(shí)物上的紅色支路所在LM358的2腳輸入端電壓值和該支路R12電阻上電壓測(cè)試得到如表1所示數(shù)據(jù)。

表1 LM358輸入端電壓和R12上電流比較

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，本方案的恒流設(shè)計(jì)是符合要求的，誤差控制在±5 mA內(nèi)，當(dāng)送給LED燈的電流值超過150 mA時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)關(guān)閉恒流源來保護(hù)LED。系統(tǒng)能耗主要是電阻及LCD液晶顯示，從表格數(shù)據(jù)看出電阻的功耗較低，所以系統(tǒng)的功耗較小。

本次設(shè)計(jì)實(shí)物如圖5所示，對(duì)LED控制效果比較明顯。在主程序運(yùn)行初期設(shè)置每隔10 s LED燈3種顏色所在電流值依次變化，出現(xiàn)了7種顏色的效果：深藍(lán)色、深綠色、深紅色、白色以及3種花色。上述7種顏色變化循環(huán)出現(xiàn)3次后進(jìn)入色溫控制階段，燈初始為白色，此時(shí)通過BLUE、GREEN、RED三鍵以每按一次10 mA的步進(jìn)來改變相應(yīng)電流。軟件設(shè)置上述三按鍵控制5 min后進(jìn)入聲控色溫階段，燈初始仍為白色，在此聲控信號(hào)以控制紅光支路為主，LED上顏色隨聲音越響紅色越明顯的規(guī)律變化[12]。再次通過軟件設(shè)置上述5 min聲控色溫階段后，進(jìn)入主程序再次循環(huán)執(zhí)行過程。

圖5 實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定以及明顯光衰現(xiàn)象。所以查閱資料分析后，考慮系統(tǒng)還應(yīng)加入對(duì)LED溫度的監(jiān)測(cè)和控制部分來進(jìn)行完善[13]。因?yàn)長(zhǎng)ED的穩(wěn)定性很容易受自身散熱和環(huán)境溫度影響。當(dāng)LED工作溫度超過其承載溫度，將會(huì)使LED發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯光衰，甚至?xí)?duì)LED造成永久性破壞[14]。這也是后期電路應(yīng)該改進(jìn)的地方。

4 結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)達(dá)到了很好的節(jié)能和多種顏色進(jìn)行照明或裝飾的效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。實(shí)際使用過程中可考慮去除AD和1602液晶顯示，來增加多個(gè)按鍵給操作者，如色溫開始鍵、聲控開始鍵、停止鍵等[15]。還可進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)作為新型燈具或廣場(chǎng)裝飾照明燈的驅(qū)動(dòng)控制電路。

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Design of Constant Current Drive Circuit for Three-color LED Lights

WULi-na，DENGJian-ping

(School of Electronic and Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

This paper presents a kind of LED driving circuit which outputs the constant current source to supply power for three-color LED lights. Driven by constant current source, the current on the LED will not be affected by changes of voltage and ambient temperature, and the discreteness of LED parameters. The design can make full use of all kinds of the good qualities of the LED. The current of each monochrome LED is 100 mA. The driving circuit also has functions of color adjustment and over current protection. This design adopts MCU, AD and DA modules to achieve voltage sampling, adopts 1602 liquid crystal to display the current of LED one branch, and uses sound control module to control the LED color. The experiment proves this method can basically complete the design intention, and provides valuable experience for the development of new LED lamps.

LED; constant-current source; adjustable color; sound control module; 1602 liquid crystal

2015-04-21

鄔麗娜(1976-)，女，江蘇蘇州人，碩士，講師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)和嵌入式系統(tǒng)。

Tel.：13915513401；E-mail:wln@jssvc.edu.cn

TP 29

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1006-7167(2015)11-0074-03