對多路照明LED采用的兩種調(diào)光控制電路設(shè)計(jì)

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(diǎn)，近年來在各行業(yè)應(yīng)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(qiáng)度由驅(qū)動電流決定。當(dāng)LED兩端電壓發(fā)生波動時(shí)，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(qiáng)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(jìn)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(shè)計(jì)思路

圖1 為整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖， 計(jì)算機(jī)通過串口通信發(fā)送調(diào)光信號， 單片機(jī)接收到信號之后， 經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制多路LED的亮度調(diào)節(jié)。其中多路調(diào)光電路的設(shè)計(jì)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(shí)際電路。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3多路調(diào)光電路的設(shè)計(jì)

3.1 多路控制的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)的，CD4067 的引腳如圖2 所示。當(dāng)需要調(diào)節(jié)某一支路的時(shí)候， 只要選通此支路進(jìn)行調(diào)節(jié)就行了， 此時(shí)， 其它支路不受影響。試驗(yàn)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(shí)選通一個支路，并且只能選 通那一路。

3.2 調(diào)光電路設(shè)計(jì)

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

如圖2 所示，單片機(jī)給十六選一的芯片CD4067 送去PWM 信號，CD4067 響應(yīng)單片機(jī)所發(fā)出的信號，選通后面對應(yīng)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(yīng)管2SK1058 的柵極電壓，由于場效應(yīng)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(jī)產(chǎn)生的PWM 信號控制的。為了實(shí)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(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的給定電壓值。

圖2 調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制流程

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(shí)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(shí)驗(yàn)分析

由于采用兩種調(diào)光方法， 所以實(shí)驗(yàn)方案按照基于兩種調(diào)光方法的多路控制來進(jìn)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(shí)驗(yàn)的時(shí)候取代表性的三個支路進(jìn)行控制， 通過設(shè)置三個支路的電流值， 使這三個支路達(dá)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(yàn)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(jì)算機(jī)界面的輸入值能夠和LED 電流對應(yīng)上。

圖4 驅(qū)動波形

在計(jì)算機(jī)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(yīng)支路LED 的電流值為54mA、106mA、134mA，對應(yīng)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(yīng)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(diǎn)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(shè)定程序， 使得在計(jì)算機(jī)操作界面上輸入值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)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(jìn)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(shè)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(jì)算機(jī)操作界面設(shè)定占空比來， 傳送給單片機(jī)信號， 單片機(jī)相應(yīng)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(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?不同點(diǎn)是兩種方法的輸入控制量不同，不過， 通過多次實(shí)驗(yàn)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(yīng)電流的白光， 所以第二種方法可以得到廣泛的應(yīng)用。

5結(jié)束語

本次試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)操作界面控制調(diào)光電路、單片機(jī)輸出PWM 的方法，并且結(jié)合芯片CD4067，實(shí)現(xiàn)了對多路LED 電流值大小的控制，其中采用了兩種調(diào)光方法。根據(jù)這個結(jié)論，可以應(yīng)用到很多處多路LED 控制的場合， 如手術(shù)燈、家用照明燈、大型室外燈光設(shè)計(jì)等。

當(dāng)然，單片機(jī)結(jié)合CD4067 能夠控制多路的LED 電流，但是也存在著一些缺點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方， 由于多路照明LED 工作起來功率比較大，可以在本文的電路基礎(chǔ)上增加部分元器件，達(dá)到減少損耗的目的；由于沒有基準(zhǔn)電壓脈沖幅度，單片機(jī)直接產(chǎn)生的PWM 波就不是很恒定，限制了PWM 波的使用范圍。