太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路原理及設(shè)計(jì)
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2.2.3 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路
單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路可以由簡單的觸發(fā)器組合而成，但是這樣的電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定度不高，而且功耗比較大。為了避免上述不足，本系統(tǒng)采用集成芯片4538。4538為邊沿觸發(fā)型電路，可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同，設(shè)定為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。在本系統(tǒng)中，4020輸出信號(hào)作為4538的輸入脈沖，進(jìn)行單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)，其輸出脈沖寬度由外接電容和電阻控制，輸出脈沖周期由4020提供的輸入脈沖的頻率決定。最后，從4538輸出端輸出的信號(hào)作為LED燈的開關(guān)控制信號(hào)。
本部分設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為充分采用中規(guī)模集成器件，達(dá)到穩(wěn)定度高和靜態(tài)功耗小的目的。
2.3 白光LED保護(hù)電路
2.3.1 白光LED簡介
白光LED是最被看好的LED新興產(chǎn)品，其在照明市場的發(fā)展?jié)摿χ档闷诖Ｅc白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比，LED具有體積小(多顆、多種組合)、發(fā)熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低電壓、低電流啟動(dòng))、壽命長(1萬小時(shí)以上)、反應(yīng)速度快(可在高頻操作)、環(huán)保(耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收、沒有污染)、可平面封裝、易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)，沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點(diǎn)，是被業(yè)界看好在未來lO年內(nèi)，替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。
2.3.2 白光LED性能分析
(1)白光LED色彩，波長分析真正發(fā)射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因?yàn)長ED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)波
長。白色并不出現(xiàn)在色彩的光譜上；一種替代的方法是利用不同波長合成白色光。
白光LED設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)小竅門。在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受到藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會(huì)發(fā)出黃光。于是得到了藍(lán)光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的，圖4為LED發(fā)出光線的波長和正向電流示意圖。由圖4可以看出：白光LED的發(fā)射波長(實(shí)線)包括藍(lán)光和黃光區(qū)域的峰值，但是在肉眼看來就是白色。肉眼的相對光敏感性(虛線)如圖4所示。
但是，采用InGaN技術(shù)的LED并不像標(biāo)準(zhǔn)綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaN LED的顯示波長(色彩)會(huì)隨著正向電流而改變(如圖5所示)。例如，白光LED所呈現(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，且藍(lán)光發(fā)光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)生波長變化。
當(dāng)正向電流高至10 mA時(shí)，正向電壓的變化很大。變化的范圍大約為800 mV(有些型號(hào)二極管變化會(huì)更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化會(huì)改變色彩，因?yàn)楣ぷ麟妷旱淖兓淖兞苏螂娏鳌Ｔ?0 mA正向電流時(shí)，正向電壓大約為3.4 V(該數(shù)值會(huì)隨供應(yīng)商的不同而有所不同，范圍3.1 V~4.0V)。同樣，不同LED之間的電流-電壓特性也有較大差異。直接用電池驅(qū)動(dòng)LED是很困難的，因?yàn)榻^大數(shù)電池會(huì)隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向?qū)妷骸?BR> (2)白光LED伏安曲線和溫度電流變化分析
圖6和圖7分別為LED的伏安曲線和溫度電流曲線。由LED發(fā)光原理可以知道，白光LED的亮度變化主要是由其通電電流決定的。
由上面白光LED分析可以看出：
(1)白光LED的通電電流將影響其波長變化；
(2)當(dāng)LED工作在電流為10mA到30mA區(qū)域，LED兩端的電壓發(fā)生微小變化時(shí)，電流將發(fā)生較大變化；
(3)LED的承受電流范圍隨溫度的升高而變小。
為了使白光LED長期穩(wěn)定工作，采取下列措施：
(1)拉開兩個(gè)LED的間距，達(dá)到散熱目的；
(2)采用恒流供電，使白光LED波長和亮度處于恒定狀態(tài)。
由上述分析可以得出，為了使LED維持在固定亮度和色彩發(fā)光，并且延長其工作壽命，正向電流必須維持在一個(gè)穩(wěn)定值，因此采取恒流措施來保證LED的穩(wěn)定工作。
2.3.3 恒流保護(hù)電路
本系統(tǒng)將大電流CMOS管作為電子開關(guān)，并采用恒流電路對LED陣列進(jìn)行恒流供電，使LED燈可以長時(shí)間穩(wěn)定工作。下面介紹恒流實(shí)現(xiàn)方法。
圖8為最基本的恒流電路原理圖，圖中RL為負(fù)載電阻(實(shí)際為LED陣列)，Ro為采樣電阻，Eg為參考電壓，則輸出電流Io=Eg/Ro，說明穩(wěn)流電源的輸出電流由基準(zhǔn)電壓Eg和采樣電阻Ro決定，Eg和Ro一經(jīng)確定，穩(wěn)流電源的輸出電流不受輸出電源電壓和負(fù)載影響而保持穩(wěn)定。由此可知，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流，必須提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和采樣電阻。
本系統(tǒng)根據(jù)上述基本原理圖，采用CMOS場效應(yīng)管和一個(gè)運(yùn)算放大器組成基本恒流電路。在本系統(tǒng)中，參考電壓Eg由控制電路中的4538的輸出脈沖經(jīng)過穩(wěn)壓電路(采用TL431穩(wěn)壓器)提供。每當(dāng)4538輸出一個(gè)正脈沖，將觸發(fā)恒流電路中運(yùn)算放大器工作，使LED點(diǎn)亮，達(dá)到恒流閃光的效果。
3 結(jié)束語
經(jīng)測試，系統(tǒng)電路的靜態(tài)功耗為5 mA~7 mA，具有較低的靜態(tài)功耗和較高的穩(wěn)定度。不同用戶可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，通過修改其中的某些部分以滿足設(shè)計(jì)要求。
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