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          LED應(yīng)急照明燈驅(qū)動電路設(shè)計

          作者: 時間:2012-09-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          標(biāo)簽 照明 光源

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/200052.htm

          燈是一種十分重要的照明裝置,在正常供電時自動對后備蓄電池充電,在電源停電后自動切換蓄電池供電,提供功能,在高層建筑、教學(xué)樓、商場和娛樂場所等人員密集的地方得到廣泛應(yīng)用。由于它涉及到建筑物發(fā)生火災(zāi)時人員的安全疏散、消防和方向指示等項內(nèi)容,在消防救援中扮演著十分重要的角色,甚至被人們稱作“生命之燈”。采用 作為應(yīng)急照明的應(yīng)急燈,具有壽命長、能耗低、顯色性高、易維護(hù)、體積小、點亮速度快、無頻閃,發(fā)光效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源,無有害金屬汞,非常環(huán)保等優(yōu)點,而成為主流產(chǎn)品。 應(yīng)急照明燈的設(shè)計在考慮《消防應(yīng)急燈具》國家標(biāo)準(zhǔn)(GB17945-2000)的前提下,主要從實現(xiàn)的功能、主要技術(shù)指標(biāo)要求、應(yīng)急照明、正常照明與充電控制和自動應(yīng)急轉(zhuǎn)換等方面進(jìn)行綜合設(shè)計。

          LED 應(yīng)急照明燈實現(xiàn)的主要功能如下:

          (1)自動切換功能。斷電發(fā)生時,內(nèi)置的控制電路在5s 內(nèi)(高危險區(qū)域在0.25s 內(nèi))自動切換電源,進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。市電恢復(fù)供電時,自動切換回充電狀態(tài)。

          (2)恒流充電功能。充電時,紅色和綠色指示燈亮,充滿時,紅色指示燈熄滅,此時轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài);綠色指示燈顯示主電狀態(tài),市電正常接入即點亮。

          (3)故障檢測功能。如電池保險絲斷或接觸不良,或內(nèi)部控制電路不正常,內(nèi)置的自檢電路將自動點亮黃色指示燈。

          (4)過放電保護(hù)功能。當(dāng)電池電壓放電到額定電壓的80%時,電子開關(guān)立即切斷放電回路,可確保電池的長壽命。

          (5)試驗按鈕功能。在主電正常供電的條件下,按下試驗按鈕等同于切斷外部電源,用于模擬停電狀態(tài)試驗。在主電斷電的條件下按下該按鈕,可以關(guān)閉應(yīng)急照明燈。

          2 應(yīng)急照明燈的主要技術(shù)指標(biāo):

          按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB17945-2000),LED 應(yīng)急照明燈應(yīng)該達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)。

          (1)消防應(yīng)急燈具的應(yīng)急工作時間應(yīng)不小于90min,且不小于燈具本身標(biāo)稱的應(yīng)急工作時間。

          (2)消防應(yīng)急燈具應(yīng)設(shè)主電、充電、故障狀態(tài)指示燈。主電狀態(tài)用綠色,充電狀態(tài)用紅色,故障狀態(tài)用黃色。集中電源型消防應(yīng)急燈具應(yīng)設(shè)主電和應(yīng)急電源狀態(tài)指示燈,主電狀態(tài)用綠色,應(yīng)急狀態(tài)用紅色。主電和應(yīng)急電源共用供電線路的消防應(yīng)急燈具可只用紅色指示燈。

          (3)消防應(yīng)急燈具應(yīng)有過充電保護(hù)和充電回路短路保護(hù)。消防應(yīng)急燈的充電時間應(yīng)不大于24h,最大連續(xù)過充電電流不應(yīng)超過0.05C5A(1C 表示電池容量電流,0.05C 為0.05 倍電池容量電流;C5表示5 小時的容量放電時間)。集中電源型消防應(yīng)急燈具使用免維護(hù)鉛酸電池時最大充電電流不應(yīng)大于0.4 C20A。

          (4)消防應(yīng)急燈具應(yīng)有過放電保護(hù)。電池放電終止電壓應(yīng)不小于額定電壓的80%, 放電終止后,在未重新充電條件下,即使電池電壓恢復(fù),消防應(yīng)急燈具也不應(yīng)重新啟動,且靜態(tài)泄放電流應(yīng)不大于10-5 C5A。集中電源型消防應(yīng)急燈具使用免維護(hù)鉛酸電池時最大放電電流不應(yīng)大于0.6 C20A。電池放電終止電壓應(yīng)不小于電池額定電壓的90%, 靜態(tài)泄放電流應(yīng)不大于10-5 C20A。

          (5)消防應(yīng)急燈具在主電電壓為187~242V 范圍內(nèi),不應(yīng)轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)。

          (6)消防應(yīng)急燈具由主電狀態(tài)轉(zhuǎn)入應(yīng)急狀態(tài)時的主電電壓應(yīng)在132~187V 范圍內(nèi)。由應(yīng)急狀態(tài)恢復(fù)到主電狀態(tài)時的主電電壓應(yīng)不小于187V。

          (7)消防應(yīng)急燈具的主電源輸入端與殼體之間的絕緣電阻應(yīng)不小于50MΩ, 有絕緣要求的外部帶電端子與殼體間的絕緣電阻應(yīng)不小于20 MΩ。

          (8)消防應(yīng)急燈具的主電源輸入端與殼體間應(yīng)能耐受頻率為50Hz±1%, 電壓為1500V±10%, 歷時60s±5s 的試驗。消防應(yīng)急燈具的外部帶電端子(額定電壓≤50VDC) 與殼體間應(yīng)能耐受頻率為50 Hz±1%、電壓500V±10%,歷時60s±5s 的試驗。試驗期間,消防應(yīng)急燈具不應(yīng)發(fā)生表面飛弧和擊穿現(xiàn)象, 試驗后,消防應(yīng)急燈具應(yīng)能正常工作。

          3 LED 伏安特性與供電要求:

          按照發(fā)光顏色的不同,LED 可以分為藍(lán)光Blue(InGaN) 470nm, 綠光Green (GaP:N)550 nm, 黃光Yellow (GaP:N -N) 587 nm, 紅光Red (InGaAlP)617nm, 超紅光Super-Red (InGaAlP) 630nm, 白光LED 等產(chǎn)品。由于它們的固有特性存在差異性,所以應(yīng)用時需要為其設(shè)計不同的供電電源。

          3.1 標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED 的伏安特性對于5mm 直徑的標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED,其正向?qū)妷?VF)與正向電流(IF)的函數(shù)曲線如圖1 所示。由圖1 可知,標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED 具有1.4~2.6V 的正向?qū)妷?,且正向壓降隨著正向電流的增大而增加。當(dāng)正向電流低于10mA 時,正向?qū)妷簝H僅改變幾百毫伏。

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          使用LED 最簡單的方法是將一個電壓源施加到一個電阻與LED 相串連的回路,只要工作電壓保持恒定,LED 就可以發(fā)出恒定強(qiáng)度的光(盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強(qiáng)會減小),通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴?qiáng)調(diào)節(jié)至所需要的強(qiáng)度。例如,外加5V電源, 正向工作電流為10mA 的綠光LED 應(yīng)該有2V 的恒定工作電壓,那么串接電阻為R=(5 -VF)/10mA = 300Ω

          3.2 藍(lán)光和白光LED 的伏安特性

          藍(lán)光(InGaN)LED 的顯示波長(色彩)會隨著正向電流的變化而改變,如圖2 所示。藍(lán)光LED 的正向伏安特性是圖3 眾多曲線之一。

          當(dāng)工作電流在4~10mA 范圍時,其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=2.6mA/0.1V;

          當(dāng)工作電流在10mA 以上時,其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=3.3mA/0.1V。真正發(fā)射白光的LED 是不存在的, 因為LED的特點是只發(fā)射一個波長的光線。為此, 在白光LED 設(shè)計中,采用了在發(fā)射藍(lán)光InGaN 基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料,這種材料在受到藍(lán)光激勵時會發(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。一組隨機(jī)挑選的白光LED 的電流-電壓曲線如圖3 所示。

          由圖3 可知,白光LED 要求高于3V 的電壓, 正向電流為10mA 時, 正向電壓的范圍為3.5~3.8V。直接用電池白光LED 是很困難的,因為絕大數(shù)電池會隨著放電使電壓低于LED 所需要的最小正向?qū)妷憾刂?。鋰電池在完全充滿電時可以提供4.2V 的輸出電壓,在很短的一段工作時間內(nèi)會下降到標(biāo)稱3.5V 電壓,隨著電池放電,其輸出電壓會進(jìn)一步下降到3.0V,可以滿足直接照明LED 的供電要求。

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          對于這些白光LED,施加3.3V 電壓(圖3 右虛線) 會產(chǎn)生2~5mA 的正向電流, 導(dǎo)致不同亮度的白光。許多便攜式或采用電池供電的設(shè)備使用白光LED 作為背光,例如PDA 彩色顯示器需要白色背景光,要求恢復(fù)色彩與原物接近。在這些白光照明要求較高的應(yīng)用中,單個白光LED 的照明亮度是不夠的,需要同時點亮幾只白光LED, 但必須采用特定的供電方式,以確保它們的強(qiáng)度和色彩一致,即使在電池放電或其它條件變化時也應(yīng)如此, 所以一般采用帶有電流控制的電荷泵作為白光LED 的供電電源,它能提供一個足夠高的輸出電壓, 并且在并聯(lián)連接的LED 上加載同樣的電流。如Maxim 提供帶有電流控制的電荷泵(采用MAX1912 芯片),可以同時并聯(lián)驅(qū)動3 個以上的白光LED,輸出電流可達(dá)60mA。

          4 LED 應(yīng)急照明燈控制電路設(shè)計:

          4.1 變壓、整流與濾波電路設(shè)計

          在正常情況下一般由AC220V 市電供電,為此設(shè)計了變壓、整流、濾波電路,如圖4 所示。其作用是:AC220V 經(jīng)變壓器T1 降壓為AC8V 電壓,經(jīng)D1~D4 橋式整流和C1 濾波后,得到直流電壓,供給充電電路和其它電路使用。

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          4.2 狀態(tài)指示電路設(shè)計

          本應(yīng)急照明燈主要有主電供電狀態(tài)、充電工作狀態(tài)和電路故障狀態(tài)3 種工作狀態(tài),分別用標(biāo)準(zhǔn)的綠光LED、紅光LED 和黃光LED 來指示,根據(jù)控制要求設(shè)計了主電指示、充電指示、故障指示電路和工作狀態(tài)檢測電路,如圖5 所示。

          (1)主電供電狀態(tài)。當(dāng)接通主電電源后,經(jīng)降壓、整流和濾波后得到的直流電壓, 經(jīng)過R1、Rx、D10 限流后,使主電指示燈D10(綠)亮,D10 正向?qū)妷簽?V, 正常顯示電流10~20mA; 主電斷電后,主電指示燈D10 熄滅。

          (2)充電工作狀態(tài)。剛開始充電時,充電電池電壓較低,Q4 截止, 整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R1、R9、D11 限流后,使充電指示燈D11(紅)亮,D11 正向?qū)妷簽?.8V,正常顯示電流10~20mA;當(dāng)電池電壓升高到一定值時,導(dǎo)致D7 截止,并經(jīng)R8→R10→Q4(9013)通路,使Q4 導(dǎo)通,從而使紅燈D11熄滅。

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          (3)電路故障狀態(tài)。在主電供電的情況下,當(dāng)電池失效或者與之串聯(lián)的保險管熔斷后,施加的直流電壓高于6.8V 使穩(wěn)壓管D9 工作,再經(jīng)過R12 使故障燈D12(黃)亮,D12 正向?qū)妷簽?V,正常顯示電流10~20mA。當(dāng)主電斷電后,故障燈D12 熄滅。

          4.3 應(yīng)急轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

          當(dāng)主電正常供電時,整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R8、D7 限流后,給電池BT 充電;同時,該真流電壓經(jīng)R1、R3,對C2 充電,為應(yīng)急轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備,并使Q1 導(dǎo)通,但由于C 點電位高于A 點電位,而使D5 和Q2 截止。

          當(dāng)主電由供電轉(zhuǎn)為斷電時,C2 上的充電壓使Q1 繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài),C 點由高電位轉(zhuǎn)為低電位,使D5 和Q2 導(dǎo)通, 充電電池向LED 應(yīng)急照明電路供電。選擇蓄電池容量為3.6V/300mAh,在LED 照明電路電流小于等于200mA 的情況下, 確保LED應(yīng)急照明工作時間不小于90min。在主電正常供電的情況下,閉合試驗按鈕SB,則模擬主電斷電而進(jìn)入應(yīng)急照明狀態(tài),打開試驗按鈕恢復(fù)主電供電狀態(tài)。

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          根據(jù)上述控制要求,設(shè)計的應(yīng)急照明燈的應(yīng)急轉(zhuǎn)換電路,如圖6 所示。

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          4.4 LED 應(yīng)急照明電路

          該應(yīng)急照明燈的應(yīng)急照明功能是由白光LED來實現(xiàn)的, 由于單只白光LED 的發(fā)光亮度有限,不能滿足實際要求而使用了多只LED,設(shè)計的控制電路如圖7 所示。為了照明光線的均勻性,將應(yīng)急照明電路做成2 塊板,分布在底座的兩邊,每塊應(yīng)急照明板上均安裝了4 只白光LED,每只LED 的正向?qū)妷簽?V 左右, 正向工作電流范圍為10~30mA。同時,為了避免LED 正向?qū)妷旱碾x散性而導(dǎo)致功率消耗不均衡的問題,每只LED 串聯(lián)一只電阻后再并聯(lián)使用。在本設(shè)計中共使用了8 路白光LED 電路,總的工作電流不能超過200mA,即每個LED 回路的工作電流不能超過25mA, 以保證應(yīng)急工作時間不小于90min。

          5 結(jié)論:

          隨著LED 技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的下降,LED在應(yīng)急照明及日常生活中將扮演越來越重要的角色。在開發(fā)設(shè)計應(yīng)急照明燈的控制電路時,要根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,充分考慮各種光譜LED 的電光特點,從高效率、高可靠的角度出發(fā)完成LED 驅(qū)動電路設(shè)計,是保證LED 得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

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