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原理篇 花1元钱打造一个LED恒流源
1元钱打造一个LED恒流源
 
                        (本篇刊登在人民邮电出版社2008年1期《无线电》杂志)
 
    LED发光二极管出现在上个世纪七十年代,仅有红、黄、绿三色,经过几十年科学
 
术的发展、努力,LED白光管出现了,价格也正走近老百姓的口袋,将以节能、长
 
寿、价廉的优势猛烈冲击着统治了照明领域三个世纪的白织灯,LED灯进入千家万户的
 
时代到了。
 
    LED用于日常照明的众多优点,本文不再累述。众所周知,PN结半导体器件正在向
 
导通后,结电压VF随环境温度上升而下降,即:-2mv/℃,称PN结的负温度效应,利用
 
该特性可制成温度传感器,但该特性在发光应用上却是致命的缺陷,直接影响它的发光
 
效率。发光亮度、发光色度。通俗举例,常温25℃时,选择LED最佳工作电流20mA,当
 
环境温度升到85℃,结电压VF下降,工作电流急剧增加到35-37mA,見图一,电流曲线Ⅰ,
 
图一
 
    此时电流增加已不会产生亮度增加,称亮度饱和,更为严重的是温度的上升,引起
 
光谱波长的偏移,造成色差。如长时工作此高温区还将引起器件老化,发光亮度逐步衰
 
减。同样,当环境温度下降至-40℃时,结电压VF上升,最佳工作电流将从20mA减小8-
 
10mA.,发光亮度也随电流的减少而降低,达不到场所所需的照度。        
                             
    为了避免上述不良现象,一般在LED的相关产品上,通常采用如下措施。1、将
 
LED装在散热板上,或风机风冷降温。2、LED采用恒流源的供电方式,不因LED随温
 
度上升引起电流增加,防止PN结恶性升温,或两种方法并用。实践证明,用于大功
 
率LED灯(如广告背景灯、街灯),确实是行之有效的措施。但当LED灯进入寻常百
 
姓家就碰到如下问题了:散热板,风冷能否集约在一个普通灯头的空间;采用集成
 
电路或诸多元器件组成的恒流源电路,它的寿命和可靠性不取决LED,而取决整个
 
系统的某块“短板”;.与荧光节能灯相比,有没有吸引眼球的价格。
 
    笔者另辟蹊径,采用具有正温度系数的热敏电阻与负温度特性的LED串联,组成
 
一个温度系数极小电阻型负栽。一旦工作电压确定后,串联回路中的电流,将不会
 
随温度变化而变化,通俗地说,当LED随温度升高电流增加时,热敏电阻也随温度升
 
高,电阻变大,阻止了回路电流上升,当LED随温度下降,电流减小时,热敏电阻也
 
随温度下降电阻变小,阻止了回路电流的减少。如匹配得当,当环境温度在-40℃~
 
85℃范围内变化时,LED的最佳工作电流不会明显变化,见图一电流曲线Ⅱ。(串入
 
热敏电阻的电流曲线Ⅱ,与没有串入热敏电阻的电流曲线Ⅰ对照图)
 
从图一可以看到,采用热敏电阻温度补偿方法与集成电路等元件组成的恒流源相比,
 
着异曲同工之处,但最大的差异是用一种元件就解决了LED的恒流问题,其价格、
 
积、寿命等优势也不言而喻。
 
    正温度热敏电阻MZD,是常州市发达电子有限公司专为LED应用研制,
 
    常用规格见一.
 
 
 
表一
 
一、MZD-5A2020mA恒流源中的应用原理
 
    由一只MZD-5A20与五只LED(20mA)串联组成一个标准单元,它的恒流电
 
流20mA,工作电压U=VR+5×VF=3V+5×3.4V=20.0V.。3V是MZD-5A20在25℃
 
的压降,3.4V是LED的正向导通电压VF(或2.8-4.2V)。当环境温度每升1℃
 
时,5只串联的LED VF下降2mV×5=10mV;5A20的压降升高10mV,保持了串联
 
回路的总电流不变,它的恒流特性见图一电流曲线Ⅱ。
 
    与一般恒流源相比它有不怕负载开路的优点,也不怕负载短路,当短接5个LED后,
 
回路电流急剧上升,引起MZD温升,MZD阻值迅速增大,有效阻止电流继续上升,反复
 
实验,负载短路后,短路电流由130mA迅速 下降到60mA的稳定值,如在电源的额定范
 
围内,不会损坏电源。
 
    由多个5A20标准单元的串联组合,可获得相应的LED的数量,及工作电压,如用
 
12个标准单元相串联的电路,可支持60个LED灯,工作电压可接近220V。
 
二、MZD-5B100100mA恒流源中的应用原理
 
    由一只MZD-5B100与五只并联的LED(20mA)串联组成一个标准单元,它的恒流电流
 
100mA,工作电压U=VR+VF=0.65V+3.4V=4.05V,0.65V是MZD-5B100 电阻25℃时
 
的压降,3.4V是LED的正向导通电压(或2.8V-4.2V),当环境温度每升1℃,
 
LEDVF下降2mV,5B100压降升高2mV,保持了串联回路内的总电流不变,它的
 
恒流特性見图二,电流Ⅱ。
图二
 
    它有不怕负载短路的特点,反复实验,当短接5个LED后,短路电流由600mA迅速下
 
降到280mA稳定值。
 
    要增添LED的只数,可用多个5B100标准单元的并联组合,要提高工作电压,可用多
 
个5B100标准单元的串联组合.如由3个5B100标准单元串联,可支持15个LED,工作电
 
压U=3×4.05V=12.15V
 
三、MZD-5B100在大功率LED上的扩展应用
 
接法見图三,
图三
 
     用二只5B100电阻并联扩展成200mA恒流源,用于大功率200mA的LED,工作电压
 
U=0.65V+VF,三只5B100并联用于300mA的LED,以此类推。
 
四、MZD的电流过补偿保护特性
 
     什么是电流过补偿?热敏电阻的正温变化率大于发光管的负温效应,见图四,
图四
 
    图中所示电流是一条随温度上升而减少的下陡曲线,这一点与LED的另一典型
 
特性是一致的,即充许电流在40℃后随温度继续上升,应相应减少,使LED的功耗
 
控制在额定范围内,确保LED的最长寿命,MZD电流过补偿保护特性,正好可以满
 
足LED对电流的要求,这也是一般LED恒流源不具备的。
 
    过补偿保护应用在以下几处更显优势:全年或全天环境温差大,如室外照
 
明的街灯、LED显示屏、車灯;价高的大功率LED单个保护。
 
    过补偿保护具体接法见图五,
图五
 

     与标准单元串联一个相同型号的MZD热敏电阻,会产生过补偿,增加二个,或

三个MZD热敏电阻会加深补偿,但补偿太深,温度上升时LED电流下降过快,会影响

发光效率。通过实验,选出保护功能与发光效率兼顾的最佳方案.采用热敏电阻补偿

法的LED恒流源,具有电路简洁,组合方便,适用各种需求,它的检测方法简单、

直观,用一只电流表串在回路中,在常温25℃左右调正工作电压,将LED处在最佳

工作电流(20mA或100mA),做好记录,在低温区-40℃记下电流值,在高温区80℃

记下电流值,三点温度对比,一般电流误差值在10%内,均合格,可利用温度表、

冰箱、暖风机或电吹风便可对制作好的LED出检验结论。

 

 
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