黑河學(xué)院 王柏生 皮艷梅

LED驅(qū)動(dòng)電路與功能擴(kuò)展研究一例

黑河學(xué)院 王柏生 皮艷梅

本文研究一種常用的LED驅(qū)動(dòng)電路，從理論及實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行理論分析及功能擴(kuò)展研究，使之還可以成為一種適合學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐的多用途電源。

LED驅(qū)動(dòng)電路；PWM控制；穩(wěn)流；穩(wěn)壓

LED光源具有小型、多樣、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)。LED驅(qū)動(dòng)電路是保證LED光源正常工作的必備產(chǎn)品，它性能的優(yōu)劣直接影響LED的使用壽命。本文研究一種常用的AC-DC型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)對(duì)電路的組成及原理進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)它進(jìn)行功能擴(kuò)展研究。

1.LED驅(qū)動(dòng)電路組成

AC-DC開(kāi)關(guān)型LED恒流驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由220V整流濾波電路、PWM開(kāi)關(guān)控制電路、輸出取樣電路及比較放大電路組成。電路的工作原理：當(dāng)LED負(fù)載電流增大時(shí)，通過(guò)電流取樣放大產(chǎn)生控制電壓控制PWM電路，使PWM控制電路輸出電壓脈沖寬度變窄，進(jìn)而使輸出電流平均值變小；反之，當(dāng)LED負(fù)載電流減小時(shí)，通過(guò)電流取樣放大產(chǎn)生控制電壓控制PWM電路，使PWM控制電路輸出電壓脈沖寬度變寬，進(jìn)而使輸出電流平均值變大，最終實(shí)現(xiàn)輸出電流穩(wěn)定。

圖1

2.LED驅(qū)動(dòng)電路分析

一種常見(jiàn)的AC-DC開(kāi)關(guān)型恒流驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，本電路具有恒流輸出及輸出過(guò)壓保護(hù)功能。二極管D1—D4及電容C1組成整流、濾波電路，三端開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片TOP222Y為PWM控制電路，電阻R2、R5、R6組成輸出電流取樣電路，R7、R8組成輸出電壓取樣電路，集成運(yùn)算放大器LM358分別構(gòu)成電流比較放大電路和電壓比較放大電路，電路的輸出與輸入采用開(kāi)關(guān)變壓器T與光電耦合器TLP621進(jìn)行隔離與能量交換。

在圖2電路中，220V交流電經(jīng)整流、濾波獲得300V直流電壓，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T加到TOP222Y兩端，開(kāi)關(guān)振蕩、PWM控制均由芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制流入芯片控制端C電流的大小，改變芯片輸出脈沖的寬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流、電壓的控制。D6、C3為芯片輔助供電電路。

圖2

負(fù)載輸出電流由T二次變壓，經(jīng)過(guò)D7、C8、C9整流濾波獲得。電路中D8、C5組成輔助供電電路，為L(zhǎng)M358供電，同時(shí)該電壓經(jīng)過(guò)R3、三端精密穩(wěn)壓器TL431為取樣電路與比較放大電路提供2.5V穩(wěn)定電壓。

（1）輸出恒流控制

輸出電流取樣電路由電阻R2、R5、R6組成，電流比較放大電路由LM358構(gòu)成反相放大器。輸出恒流的控制原理：當(dāng)輸出電流I0增大時(shí)，電阻R2右端對(duì)地電壓降低，通過(guò)電阻R6使運(yùn)放1反相輸入端2腳電壓也降低，經(jīng)過(guò)LM358反相放大后使1腳輸出電壓升高，經(jīng)過(guò)紅色發(fā)光二極管D10、電阻R9的作用使光電耦合器TLP621流入PWM控制芯片電流增大，通過(guò)芯片內(nèi)部控制使輸出脈沖寬度變窄，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T換能作用使輸出電流減??；反之當(dāng)輸出電流I0減小時(shí)，電阻R2右端對(duì)地電壓升高，通過(guò)電阻R6使運(yùn)放1反相輸入端2腳電壓也升高，經(jīng)過(guò)LM358反相放大后使1腳輸出電壓降低，經(jīng)過(guò)紅色發(fā)光二極管D10、電阻R9的作用使光電耦合器TLP621流入PWM控制芯片電流減小，通過(guò)芯片內(nèi)部控制使輸出脈沖寬度變寬，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T換能作用使輸出電流增大，從而保證輸出電流基本恒定。

（2）輸出過(guò)壓保護(hù)

輸出過(guò)壓保護(hù)電路由電壓取樣電路R7、R8，比較放大電路由LM358組成同相放大電路。輸出過(guò)壓保護(hù)原理：當(dāng)輸出電壓在正常允許范圍內(nèi)時(shí)，5腳輸入的取樣電壓較小，放大后7腳輸出電壓低于1腳輸出電壓，D9截止，電路運(yùn)行在正常的恒流控制狀態(tài)，此時(shí)D10導(dǎo)通發(fā)紅色光；當(dāng)輸出電壓升高超過(guò)允許值時(shí)，取樣電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放2同相放大后7腳輸出電壓高于1腳輸出電壓，D9導(dǎo)通發(fā)綠色光，通過(guò)電阻R9的作用使光電耦合器TLP621流入PWM控制芯片TOP222Y電流增大，通過(guò)芯片內(nèi)部控制使輸出脈沖寬度變窄，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T換能作用使輸出電壓減小，從而使輸出電壓限定在規(guī)定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)輸出過(guò)壓保護(hù)功能。

3.做穩(wěn)壓電源使用

前面分析的AC-DC開(kāi)關(guān)型恒流LED驅(qū)動(dòng)電路除驅(qū)動(dòng)LED外，還可以做電流源使用（150mA）；如果對(duì)電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，它又可以做穩(wěn)壓電源使用，很適合學(xué)生在科技創(chuàng)新實(shí)踐中使用。

根據(jù)前面對(duì)原理分析可知，在圖2電路中，輸出有兩個(gè)控制環(huán)節(jié)，一個(gè)是穩(wěn)流控制環(huán)節(jié)，它由電流取樣電阻（R2、R5、R6）、比較放大電路LM358、光電耦合器TLP621、PWM控制電路組成；另一個(gè)是穩(wěn)壓環(huán)節(jié)（輸出過(guò)壓時(shí)），它由取樣電阻（R7、R8）、比較放大電路LM358、光電耦合器TLP621、PWM控制電路組成。在實(shí)際應(yīng)用中只要對(duì)輸出電流調(diào)節(jié)電阻R6、輸出電壓調(diào)節(jié)電阻R8進(jìn)行合理調(diào)整就可以分別實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流和穩(wěn)壓功能。

做電流源使用時(shí)，將電阻R8調(diào)小，減小電壓取樣，使電壓取樣比較放大輸出LM358的7腳電壓較低，穩(wěn)壓指示綠色發(fā)光二極管D9截止，調(diào)節(jié)電阻R6可改變輸出電流的大小，此時(shí)電路處在穩(wěn)流輸出狀態(tài)，且穩(wěn)壓環(huán)節(jié)起到輸出過(guò)壓保護(hù)功能，過(guò)壓保護(hù)值由R8調(diào)節(jié)。

做電壓源使用時(shí)，將電阻R6調(diào)大，減小電流取樣，使電流取樣比較放大輸出LM358的1腳電壓較低，穩(wěn)流指示紅色發(fā)光二極管D10截止，調(diào)節(jié)電阻R8可改變輸出電壓的高低，此時(shí)電路處在穩(wěn)壓輸出狀態(tài)，且穩(wěn)流環(huán)節(jié)又能起到輸出過(guò)流保護(hù)功能，過(guò)流保護(hù)值由R6調(diào)節(jié)。

4.增加輸入過(guò)壓保護(hù)功能

為使AC-DC開(kāi)關(guān)型恒流LED驅(qū)動(dòng)電路更加安全運(yùn)行，在原電路的基礎(chǔ)上增加一個(gè)輸入過(guò)壓保護(hù)電路，電路如圖3所示。在圖3中集電極開(kāi)路輸出運(yùn)放LM393接成一個(gè)電壓比較器，電阻R3、5V穩(wěn)壓管為電壓比較器提供5V基準(zhǔn)電壓，電阻R1、R2串聯(lián)為輸入電壓取樣。

工作原理：在正常輸入電壓情況時(shí)，LM393同相端取樣電壓低于5V，輸出低電平，繼電器K吸合，電源接通LED驅(qū)動(dòng)電路正常工作；當(dāng)輸入電壓超過(guò)正常值時(shí)，LM393同相端取樣電壓高于5V，輸出為集電極開(kāi)路狀態(tài)，繼電器K斷開(kāi)，電源斷電LED驅(qū)動(dòng)電路停止工作得到保護(hù)。電壓恢復(fù)正常重新工作時(shí)，需按啟動(dòng)按鈕S啟動(dòng)，電路才能正常工作。

圖3

注：2016年度黑河學(xué)院科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目：《LED驅(qū)動(dòng)電路研究與設(shè)計(jì)》，項(xiàng)目編號(hào)KJY201602。