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54顆LED帕燈的控制原理及制作

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ID:262 發表于 2014-6-10 03:47 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
舞臺燈光經歷了幾代的發展,已經由傳統的高電壓高能耗驅動型帕燈發展成了低電壓低能耗的LED燈。以下以54顆LED帕燈為例簡略介紹舞臺燈光的控制原理及簡易制作。
圖1 54顆LED帕燈的燈珠排布


從圖1中可知,這種LED帕燈共有4中顏色的LED,分別為紅色、藍色、綠色和白色。光的疊加規律是紅光+綠光為黃光,綠光+藍光為青光,紅光+藍光為品紅光,紅光+綠光+藍光為白光。所以在不考慮各色LED的亮度的前提下,這種組合的LED帕燈一共可以發出紅色、綠色、藍色、品紅、黃色、青色、白色7種顏色的光。
常見的LED帕燈所使用的LED是10mm直徑的直插式LED,但我實驗的時候手頭只有3mm直插的藍色led,二者性能上的差別后文再論。
驅動方面主要是采用恒流驅動的方式。因為如果是恒壓驅動的話需要加限流電阻,這樣效率會大大降低。因此驅動方面主要是做一個符合要求的電流源。
我首先采用運算放大器的方法做了嘗試。選用的運放是OP07,使用OP07構成電壓跟隨器,負載(LED)接入反饋環內,實測過程中發現電流大于24mA以后,運放的同相端與反相端電壓值不一致,當輸出電流達到30多個毫安的時候,反相端電壓已經接近于零,同時輸出電流也不再上升。
實測過程輸出電流最大可以達到35mA,led兩端的電壓為3.35V,可得單個led的功率為115mW。乘以54以后,LED總的功率為6.2W。
之后我又嘗試了采用三極管構成電流源的方案,如圖2所示。
圖中3V電源主要起控制作用,選用低電壓控制主要是為了提高電源效率。圖中采用電阻分壓的方法為三極管提供基極電壓,并在發射極產生電流,Ie=Vb/Re,且Ie=Ic。Ic則是用來驅動LED的電流。實驗中,Ic可達到60多個毫安,大于70mA后,電流會自動緩慢上升,分析應該與LED發熱無關,可能是因為三極管發熱產生了漂移,造成結電阻減小,導致電流不斷增大。在實驗中,我曾將電流增大至100mA,觀察發現led并沒有立即損壞,而是每亮一段時間就會熄滅一下,然后再亮,幾次以后led才被徹底燒壞。
以前用led主要是作為指示燈使用。一般都是只用一兩支而已,這種情況,用5V電源是足以搞定的。但led數量增多后,考慮到一個一個地去控制既費工又費料,
所以就得幾個led串聯起來使用。這里每6支l同樣顏色的ed作為一組,一共分成了九組。這時再用5V電源驅動顯然是玩不轉的,因為6個led串聯,總的壓降已經十分可觀。
圖3 4種顏色led串聯發光效果
圖4 4種顏色led串聯的電流與電壓值
我用兩個藍光led和一個紅光led的代價總結了以下經驗:
6個綠光led串聯時,電流為63.6mA時,總壓降20.2V,平均每個led兩端電壓為3.33V;
單個藍光led流過電流為46.1mA時,U=3.6V;
單個紅光led流過電流大于90mA時,led燒壞,小于90mA時壓降為2.1V左右
單個白光led流過電流71.4mA時,U=3.37V。
應該說,當電流大于40mA以后,led亮度的變化已經不是很明顯,說明多余的電流被用于使led發熱,而led溫度過熱會嚴重影響其壽命,所以這里將其工作電流暫定為35mA(每組)。
下面是整個led驅動部分的電路圖。
圖5 驅動部分(電流源)電路圖
圖6 驅動部分PCB板圖

(未完)

電路調試時由于手頭只有15V和30V的電源,所以先用了30V的電源。亮是亮,不過三極管熱的厲害,工作2分鐘左右管殼已經有了糊味;之后又試驗了15V的電源,結果是除了紅色燈全部點亮,其他燈都不能正常工作。
分析三極管過熱的原因可能是電流過大,也可能是Vce過大。所以接下來將開始電源的設計與制作部分。
這里對電源的要求是具有24V和5V的輸出電壓,輸出功率應不小于5W,現在暫時不予詳細論述,因為將要開始下一階段的功能,即燈光的控制部分。
這里主要用到的是濾波和信號處理的理論。

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ID:239621 發表于 2017-10-15 14:07 | 顯示全部樓層
非常專業!
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