多路照明LED調光控制電路的設計

　　1 引言

　　照明技術(shù)在過(guò)去的一百多年里， 經(jīng)歷了三個(gè)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(cháng)、光電效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)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(diǎn)：白光LED 發(fā)光強度由驅動(dòng)電流決定。當LED 兩端電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)， 流過(guò)發(fā)光二極管中的電流變化較大， 而發(fā)光二極管的發(fā)光強度等比驅動(dòng)電流， 因此驅動(dòng)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(lái)共同工作的，并且為了能夠實(shí)現節能和配合調光消除陰影的目的，需要對多路LED 進(jìn)行調光，文章給出了一種控制多路調光的方法。

　　2 整個(gè)系統的設計思路

　　圖1 為整個(gè)系統的設計框架圖， 計算機通過(guò)串口通信發(fā)送調光信號， 單片機接收到信號之后， 經(jīng)過(guò)內部運算， 產(chǎn)生控制信號并發(fā)送給調光電路， 調光電路再把驅動(dòng)信號發(fā)送到多路照明LED，實(shí)現計算機控制多路LED的亮度調節。其中多路調光電路的設計是本篇的關(guān)鍵，多路調光采用的是C 語(yǔ)言編程，先是在Proteus 中仿真，然后搭建實(shí)際電路。

　　圖1 系統框架圖

　　3 多路調光電路的設計

　　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(kāi)關(guān)CD4067 來(lái)實(shí)現的，CD4067 的引腳如圖2 所示。當需要調節某一支路的時(shí)候， 只要選通此支路進(jìn)行調節就行了， 此時(shí)， 其它支路不受影響。試驗中采用兩個(gè)CD4067，一個(gè)作為控制各個(gè)支路的傳輸路徑，另一個(gè)作為反饋信號的傳輸路徑。兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)選通一個(gè)支路，并且只能選通那一路。

　　3.2 調光電路設計

由于LED 的亮度與正向電流成正比，因此采用調節電流來(lái)改變亮度。通過(guò)調節電流來(lái)調節LED 亮度的方式有兩種： （ 1 ） 調節工作電流方式。（ 2 ） 脈寬調制（PWM）方式。

　　3.2.1 調節工作電流方法

　　圖2 調節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(guò)RC 積分電路產(chǎn)生一個(gè)電壓作為場(chǎng)效應管2SK1058 的柵極電壓，由于場(chǎng)效應管2 S K 1 0 5 8 的電流是由柵極電壓控制的， 所以L(fǎng)ED 的電流是由單片機產(chǎn)生的PWM 信號控制的。為了實(shí)現穩定輸出， 電路中增加了一個(gè)反饋電路， 這個(gè)反饋電路的給定值就是單片機控制數模轉換器產(chǎn)生的給定電壓值。

　　3.2.2 脈寬調制方式

　　脈沖寬度調制（PWM）方式：通過(guò)人眼不易察覺(jué)的頻率快速開(kāi)關(guān)LED，給人一種LED 總是亮的假象。開(kāi)關(guān)時(shí)間比率決定了流過(guò)LED 的平均電流，從而決定了其亮度。脈寬調制方式和調節工作電流方式的主要區別是，沒(méi)有采用RC 積分電路，采用IFR830 代替2SK1028，通過(guò)快速控制IFR830 的通斷，使得LED 電流是一個(gè)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 脈寬調制方式的多路控制流程

　　4 實(shí)驗分析

　　由于采用兩種調光方法， 所以實(shí)驗方案按照基于兩種調光方法的多路控制來(lái)進(jìn)行。

　　4.1 基于調節工作電流方式的多路控制

　　由于CD4067 芯片可以帶動(dòng)十六個(gè)支路，做實(shí)驗的時(shí)候取代表性的三個(gè)支路進(jìn)行控制， 通過(guò)設置三個(gè)支路的電流值， 使這三個(gè)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(jìn)行實(shí)驗得到它們之間的關(guān)系， 然后就可以對通信接口進(jìn)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 驅動(dòng)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 的驅動(dòng)波形分別圖4 所示。

　　可以看出，隨著(zhù)DAC0832 輸入的增大，PWM 的占空比越來(lái)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(guò)不斷改變程序的方法， 來(lái)測試多個(gè)DAC0832 的輸入和關(guān)鍵點(diǎn)電壓值（考慮到0~100之間為非線(xiàn)性區， 所以從100 開(kāi)始取值） ，測得的數據如表1 所示。

　　表1 測量得到N-I 數據

　　繪出N 和I 之間的近似關(guān)系曲線(xiàn)， 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.根據這個(gè)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，在很寬的范圍內調節LED 燈的亮度。

　　圖5 N-I 曲線(xiàn)

　　4.2 基于脈寬調制方式的多路控制

　　同樣，考慮到CD4067 是十六選一開(kāi)關(guān)，沒(méi)必要對十六路進(jìn)行控制， 擬定采用三個(gè)支路來(lái)代表整個(gè)電路的控制過(guò)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(lái)決定亮度的。通過(guò)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(guò)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 驅動(dòng)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 驅動(dòng)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(guò)在計算機操作界面設定占空比來(lái)， 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(guò)這兩種方法都能夠實(shí)現多路控制， 并且能夠達到實(shí)驗目的， 不同點(diǎn)是兩種方法的輸入控制量不同，不過(guò)， 通過(guò)多次實(shí)驗可以發(fā)現， 在不停的調節過(guò)程中，前者電路中LED 電流出現色衰現象，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。

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