LED電源驅動電路系統(tǒng)設計

近年來，世界經(jīng)濟形勢和能源發(fā)展格局發(fā)生了較大變化，各國都關心著能源問題，擔心常規(guī)能源的大量使用會威脅到人類的生存環(huán)境。為貫徹可持續(xù)發(fā)展，許多國家在新能源的開發(fā)利用上投入了大量的人力物力，21世紀將進入以LED為代表的新照明時代。由于在不同地域條件下，太陽能和風力資源分布各不相同。為取得最大的風光利用率，采用了風光互補系統(tǒng)，實現(xiàn)由風光互補發(fā)電作為LED驅動電路的輸入。然而目前驅動電路的性能多數(shù)均不穩(wěn)定，LED驅動電源仍存在轉換效率差、功率因數(shù)低、輸出電流穩(wěn)定性不好、壽命不能與LED相匹配等問題，已成為制約LED照明裝置進一步推廣應用的瓶頸。本文設計的基于LF—F301的LED驅動電路改善了這些不足，其是基于風光互補發(fā)電系統(tǒng)改進而成的，在整個系統(tǒng)中，風力發(fā)電機和光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能提供給LED路燈使用，不足部分由工頻電網(wǎng)提供，電路與工頻電網(wǎng)長期相連，并通過優(yōu)化開關組合的方式，使其能夠應用在更多的場合。

1 驅動電路設計

1.1 LED驅動條件

LED節(jié)能燈的快速發(fā)展，使得LED驅動電路的設計更加嚴格，整個電路不僅要安全低功耗，還應該具有恒流特性，即電源電壓變動幅度15%時，輸出電流的變化幅度不超過10%，這樣才能保證LED驅動電路較高的能量利用效率。

1.2 驅動電路特點

此驅動電路使用恒流電源驅動方法，專為T10 LED燈設計，不僅可應用在鬧市區(qū)，工業(yè)園區(qū)和大學校園，也可應用在孤島，鄉(xiāng)村等偏遠地區(qū)，市場應用前景廣闊。同時整個電路采用了特殊的開關控制方式，使其具有高效率，節(jié)能環(huán)保等方面的優(yōu)勢。經(jīng)過研究和物理電路測量，驅動電路具有以下特點：工作頻率50～60 Hz;功率24 W;寬輸入電壓AC 110～265 V/50～60 Hz;輸出電流0.24A;輸出電壓：36 V≤Uout≤0.6 Uin;體積為175 mm×18 mm×11 mm;直流50 V～80V。這些參數(shù)確保了LED驅動電路使用時安全穩(wěn)定，使其具有恒流精度高，電磁兼容性較好的特征。

1.3 驅動電路電路設計

驅動電路原理圖如圖1所示，通過橋式整流器，電流直接被送到LED負載的正極，然后通過負極，經(jīng)由變壓器到達晶體管Q1，最后又通過橋式整流器，這就是該負載電路電流的主要回路。當沒有負載時，R17就充當保護電路的負載，保證電路不會短路。C1在這里起到濾波以及平衡負載兩端電壓的作用。D1為蓄流二極管，保證變壓器正常工作。電路圖的下半部分，是由兩個芯片和Q1組成的反饋調(diào)節(jié)電路。Q1能根據(jù)U1的變化情況，向變壓器發(fā)出高頻電流。當負載電流過載時，電流會通過R7和R8到達U2，使得U2右邊的二極管發(fā)熱，導致U2左邊的電壓降低，同時反饋到U1，U1通過調(diào)節(jié)電壓和頻率控制電路，從而使系統(tǒng)電路輸出恒定電流。

2 LF-F301驅動電路原理分析

2.1 工作模塊

如圖2所示，此電路通過變壓器輸出適當?shù)碾娏?，當有LED負載時，電路中通入適當?shù)碾娏骱皖l率使LED正常工作;當沒有負載時，變壓器中仍然殘留有能量，需要釋放。此時由R17等構成的回路，可以慢慢地釋放變壓器中的電能。但當電流突然減小時，變壓器中會產(chǎn)生感應電動勢，由此會產(chǎn)生較高的反向電壓，可能會擊穿器件。為了克服這個問題，在線圈的兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管D1，同時在電路輸出端串聯(lián)R15，并且在R15兩端并聯(lián)R2，R3，R4，R6。R15有降壓作用，并且能為反饋電路提供電壓。由于R15承受的功率較大，容易燒壞，所以預備一個由R2，R3，R4和R6的并聯(lián)等效電阻，這樣每個電阻承受的功率變小，在增加使用壽命的同時，能夠減少維修費用。

2.2 采樣模塊

如圖3所示，采樣電流經(jīng)過傳感器U2將電流信號轉換成電壓信號，并輸出到芯片U1的2號引腳。

2.3 控制模塊

如圖4所示，電路通過T1、D7獲取穩(wěn)定的22 V電壓，供給芯片工作，芯片通過2號引腳進行取樣輸入，C4對電路的頻率和電壓進行控制。

3 蓄電池保護電路設計

合理的蓄電池充放電，不僅可以延長蓄電池壽命，且能提升整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此需要設計保護電路，以保證蓄電池能在一定的電壓范圍內(nèi)進行充放電。本項目使用3級級聯(lián)的12 V鉛酸蓄電池。由于過充電路與過放電路有相似性，本文只給出蓄電池的過放電路，如圖5所示。電源電壓正常時，調(diào)節(jié)電位器RP1使放大器的同相輸入端的電位略高于反相輸入端的電位，此時放大器輸出低電平，VT截止，電路正常工作。當電源電壓10.5 V時，反相輸入端的電位大于同相輸入端的電位，放大器會輸出高電平，調(diào)節(jié)RP2，使VT導通，此時負載與電源斷開。

4 電路開關設計

光控開關的基本原理是光敏效應，當光照達到一定值時，開關開通，否則自動關斷。時控開關按設定的時間開啟或關斷電路。然而在燈光控制領域應用光控開關時，即使感光頭放在較為合適的位置，在早晨和傍晚采集到的光照強度也是不穩(wěn)定的。若把光控開關和時控開關的輸出端串聯(lián)在一起，光傳感器測得外界環(huán)境的光照強度，定時器給出所需設定的時間范圍，便能更好地控制電路的關斷，不僅節(jié)約電能，還延長了LED燈的使用壽命。

4.1 光控模塊

其由光電轉換模塊和光敏電阻組成。光電轉換由比較器來實現(xiàn)。當光敏探頭感應的光照強度不強時，比較器會輸出高電位，否則輸出低電位。具體電路如圖6所示。R1分擔電路電壓，依照外界環(huán)境條件，選擇適當?shù)碾娮鑂2，控制比較器中正相輸入的電壓值，使其作為比較器工作的參考電壓;R3起到保護光敏電阻以及分壓的作用。光敏電阻的阻值隨著外界光強的變化而變化，這樣就可將光信號變換成電壓信號，以此作為信號電壓連接到比較器的反相輸入端。比較兩個輸入端的電壓大小。若信號電壓較小，比較器輸出高電平，否則比較器輸出低電平。從而實現(xiàn)在明亮條件下輸出低電平，在黑暗條件下輸出高電平的設計要求。

4.2 時控模塊

時控模塊以定時器為基礎。當光控模塊輸出高電平時，時控模塊進入工作狀態(tài)，分為3個階段：

(1)光強慢慢減弱，控制LED燈實現(xiàn)半光照明。

(2)車流高峰時段，控制LED燈實行全光照明。

(3)進入下半夜，控制LED燈采用半光照明。

5 結束語

風光互補電路驅動LED發(fā)展迅速，而且使用環(huán)境廣闊。本文闡述了驅動電路的應用意義以及前景，分析了驅動電路的技術要求，設計了LED電源驅動電路。根據(jù)驅動電路要求，改進電路開關的同時，設計了蓄電池充放電保護電路，提高了整個電路的工作效率，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目的。