多路照明LED調(diào)光控制電路的設計

　　1 引言

　　照明技術(shù)在過去的一百多年里， 經(jīng)歷了三個重要的發(fā)展階段：白熾燈、熒光燈和HID 燈。LED 由于環(huán)保、壽命長、光電效率高等眾多優(yōu)點， 近年來在各行業(yè)應用得以快速發(fā)展。白光LED 的發(fā)光特性有這樣的特點：白光LED 發(fā)光強度由驅(qū)動電流決定。當LED 兩端電壓發(fā)生波動時， 流過發(fā)光二極管中的電流變化較大， 而發(fā)光二極管的發(fā)光強度等比驅(qū)動電流， 因此驅(qū)動電流的好壞直接影響LED 的發(fā)光質(zhì)量。

　　很多地方的照明LED 都是多路LED 來共同工作的，并且為了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能和配合調(diào)光消除陰影的目的，需要對多路LED 進行調(diào)光，文章給出了一種控制多路調(diào)光的方法。

　　2 整個系統(tǒng)的設計思路

　　圖1 為整個系統(tǒng)的設計框架圖， 計算機通過串口通信發(fā)送調(diào)光信號， 單片機接收到信號之后， 經(jīng)過內(nèi)部運算， 產(chǎn)生控制信號并發(fā)送給調(diào)光電路， 調(diào)光電路再把驅(qū)動信號發(fā)送到多路照明LED，實現(xiàn)計算機控制多路LED的亮度調(diào)節(jié)。其中多路調(diào)光電路的設計是本篇的關(guān)鍵，多路調(diào)光采用的是C 語言編程，先是在Proteus 中仿真，然后搭建實際電路。

　　圖1 系統(tǒng)框架圖

　　3 多路調(diào)光電路的設計

　　3.1 多路控制的設計

　　多路控制方法： 多路的控制是采用十六選一模擬開關(guān)CD4067 來實現(xiàn)的，CD4067 的引腳如圖2 所示。當需要調(diào)節(jié)某一支路的時候， 只要選通此支路進行調(diào)節(jié)就行了， 此時， 其它支路不受影響。試驗中采用兩個CD4067，一個作為控制各個支路的傳輸路徑，另一個作為反饋信號的傳輸路徑。兩個開關(guān)同時選通一個支路，并且只能選通那一路。

　　3.2 調(diào)光電路設計

由于LED 的亮度與正向電流成正比，因此采用調(diào)節(jié)電流來改變亮度。通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)節(jié)LED 亮度的方式有兩種： （ 1 ） 調(diào)節(jié)工作電流方式。（ 2 ） 脈寬調(diào)制（PWM）方式。

　　3.2.1 調(diào)節(jié)工作電流方法

　　圖2 調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制流程

　　如圖2 所示，單片機給十六選一的芯片CD4067 送去PWM 信號，CD4067 響應單片機所發(fā)出的信號，選通后面對應的支路，把PWM 信號經(jīng)過RC 積分電路產(chǎn)生一個電壓作為場效應管2SK1058 的柵極電壓，由于場效應管2 S K 1 0 5 8 的電流是由柵極電壓控制的， 所以LED 的電流是由單片機產(chǎn)生的PWM 信號控制的。為了實現(xiàn)穩(wěn)定輸出， 電路中增加了一個反饋電路， 這個反饋電路的給定值就是單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的給定電壓值。

　　3.2.2 脈寬調(diào)制方式

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式：通過人眼不易察覺的頻率快速開關(guān)LED，給人一種LED 總是亮的假象。開關(guān)時間比率決定了流過LED 的平均電流，從而決定了其亮度。脈寬調(diào)制方式和調(diào)節(jié)工作電流方式的主要區(qū)別是，沒有采用RC 積分電路，采用IFR830 代替2SK1028，通過快速控制IFR830 的通斷，使得LED 電流是一個幅值恒定， 頻率很快的脈沖電流， 這樣LED 的平均電流決定了LED 的亮度，控制流程如圖3 所示。

　　圖3 脈寬調(diào)制方式的多路控制流程

　　4 實驗分析

　　由于采用兩種調(diào)光方法， 所以實驗方案按照基于兩種調(diào)光方法的多路控制來進行。

　　4.1 基于調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制

　　由于CD4067 芯片可以帶動十六個支路，做實驗的時候取代表性的三個支路進行控制， 通過設置三個支路的電流值， 使這三個支路達到各自的亮度。但是由于不知道LED 電流值也DAC0832 輸入值之間的關(guān)系，所以進行實驗得到它們之間的關(guān)系， 然后就可以對通信接口進行編程， 使得計算機界面的輸入值能夠和LED 電流對應上。

　　圖4 驅(qū)動波形

　　在計算機操作界面上，對第一路的DAC0832 輸入為100， 第二路為200， 第三路的電流值為255，測得對應支路LED 的電流值為54mA、106mA、134mA，對應2SK1058 的驅(qū)動波形分別圖4 所示。

　　可以看出，隨著DAC0832 輸入的增大，PWM 的占空比越來越大， 對應的LED 電流值也在不斷增大。為了得到它們之間關(guān)系， 通過不斷改變程序的方法， 來測試多個DAC0832 的輸入和關(guān)鍵點電壓值（考慮到0~100之間為非線性區(qū)， 所以從100 開始取值） ，測得的數(shù)據(jù)如表1 所示。

　　表1 測量得到N-I 數(shù)據(jù)

　　繪出N 和I 之間的近似關(guān)系曲線， 如圖5 所示。從圖中可以看出，DAC0832 的輸入和LED 電流值是基本上成正比例關(guān)系的， 可以近似得到他們之間的關(guān)系：Y=0.53X+1.09，其中Y 表示LED 的電流值，單位為mA，X 表示DAC0832 的輸入N.根據(jù)這個關(guān)系，我們可以設定程序， 使得在計算機操作界面上輸入值轉(zhuǎn)化為對應的DAC0832 值，這樣就能夠控制LED 的電流，在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED 燈的亮度。

　　圖5 N-I 曲線

　　4.2 基于脈寬調(diào)制方式的多路控制

　　同樣，考慮到CD4067 是十六選一開關(guān)，沒必要對十六路進行控制， 擬定采用三個支路來代表整個電路的控制過程。由于控制方式的不同，那么決定LED 亮度的也不一樣，基于脈沖控制的方式是由LED 的平均電流來決定亮度的。通過編程，設定PWM 波的頻率為1KHZ，第一路的占空比為0.2， 第二路為0.4， 第三路的電流值為0.6，通過測量與LED 串聯(lián)在一起的5 歐姆電阻上的電壓，就能夠得到LED 的電流波形，從而可以看出LED的平均電流。波形分別如圖6 所示：

　　圖6 驅(qū)動波形和限流電阻上電壓波形

　　圖中，1 通道是PWM 波形，2 通道是5 歐姆電阻電壓波形， 可以看出， LED 的電流幅值IM 為0.65/5=130mA 是不變的，并且LED 電流的占空比和PWM 驅(qū)動波形的占空比是一樣的， 所以得出公式：LED 平均電流I= D*IM，其中IM=130mA.所以可以通過在計算機操作界面設定占空比來， 傳送給單片機信號， 單片機相應并且控制LED 的亮度。

　　4.3 兩種方法的比較

　　通過這兩種方法都能夠?qū)崿F(xiàn)多路控制， 并且能夠達到實驗目的， 不同點是兩種方法的輸入控制量不同，不過， 通過多次實驗可以發(fā)現(xiàn)， 在不停的調(diào)節(jié)過程中，前者電路中LED 電流出現(xiàn)色衰現(xiàn)象，而后者中LED 依然發(fā)出對應電流的白光， 所以第二種方法可以得到廣泛的應用。

　　5