脈沖驅(qū)動(dòng)對大功率白光LED發(fā)光效率影響的實(shí)驗(yàn)研究

譚?？?王 靖 姚 萍

脈沖驅(qū)動(dòng)對大功率白光LED發(fā)光效率影響的實(shí)驗(yàn)研究

譚?？?王 靖 姚 萍

（興義民族師范學(xué)院， 貴州 興義 562400）

基于脈寬調(diào)制電路（PWM）原理，研究設(shè)計(jì)脈沖驅(qū)動(dòng)大功率白光LED直流脈沖電源電路，實(shí)驗(yàn)測試比較了不同占空比、不同頻率脈沖方式下，點(diǎn)亮LED的瞬態(tài)光亮強(qiáng)度、溫升情況等，探索通過脈沖驅(qū)動(dòng)電源提高LED發(fā)光效率的實(shí)現(xiàn)方案，并取得初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

脈沖驅(qū)動(dòng)；大功率LED；發(fā)光亮度

大功率發(fā)光二極管以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、高可靠性等特點(diǎn)，正逐步成為取代傳統(tǒng)光源的下一代照明光源。進(jìn)一步提高白光LED發(fā)光效率已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容。白光LED已被公認(rèn)為21世紀(jì)最具潛力的環(huán)保照明光源，現(xiàn)今白光LED發(fā)光效率已達(dá)到以上，在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)方面更已達(dá)到，與目前發(fā)光效率的熒光燈相比優(yōu)越性非常明顯，況且LED技術(shù)依然在蓬勃發(fā)展中，相信當(dāng)發(fā)光效率的白光發(fā)光二極管可大量商品化時(shí)，就可以全面性取代白熾燈與熒光燈，成為市場上另一波照明光源主流。對于以載流子復(fù)合為主要發(fā)光機(jī)理的LED，如何在增加LED功率的同時(shí)，提高發(fā)光效率，成為大功率LED照明光源研究的核心問題。對大功率白光發(fā)光二極管光通量、發(fā)光效率隨輸入電流的頻率、占空比變化的規(guī)律進(jìn)行了研究，為提高LED發(fā)光效率所使用的驅(qū)動(dòng)電路做了理論研究工作。實(shí)驗(yàn)證明脈沖恒流源驅(qū)動(dòng)是目前最佳的驅(qū)動(dòng)器，其電流脈沖的頻率和占空比可以調(diào)整，該驅(qū)動(dòng)器提供恒定的電流充分可控，所以可以根據(jù)LED的性能調(diào)節(jié)最大的流過LED的電流，使得LED的發(fā)光量增加[1-7]。由于采用脈沖供電，LED處于間歇工作的狀況，延長了大功率LED的使用壽命。另外，該驅(qū)動(dòng)器是高頻工作，充分利用了LED內(nèi)螢光粉的余輝效應(yīng)，不但不會(huì)有光的閃爍現(xiàn)象，還進(jìn)一步提高了LED的發(fā)光效率。所以，這類的驅(qū)動(dòng)器，將會(huì)提高大功率LED的光通量。

一、大功率白光LED的脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

大功率白光LED主要應(yīng)用在裝飾照明、建筑照明、景觀照明、家庭照明及大屏幕顯示背光源等許多場合。在這些場合下，宜采用工頻市電供電。白光LED的正向工作電壓范圍通常為3.2～4 V，若采用交流市電供電，必須先進(jìn)行AC／DC和DC／DC兩步轉(zhuǎn)換。目前市面上的大功率LED單顆功率從1 W到十幾瓦不等，由于1 W以上大功率LED大多是以1 W LED管芯為基礎(chǔ)封裝成的。驅(qū)動(dòng)1 W以上LED時(shí)一般輸出電流為300～350 mA，最大使用電壓為20～40V。因此驅(qū)動(dòng)20W以下的LED，VCC可以采用簡易的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有效率高、功耗小、輸出電壓穩(wěn)定、體積小等特點(diǎn)。

由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù)，不是電壓的函數(shù)，而是光通量（ΦV）與IF的關(guān)系曲線，因此，采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制亮度。此外，LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)1V以上)，而由VF--IF曲線可知，VF(前向電壓)的微小變化會(huì)引起較大的IF(前向電流)變化，從而引起亮度的較大變化。所以采用恒壓源驅(qū)動(dòng)不能保證LED亮度的一致性，并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此，超高亮大功率LED通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)[8-12]。如圖1所示為脈沖恒流型的驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 脈沖驅(qū)動(dòng)電路圖圖

圖1為用ICL8O38 構(gòu)成高性能的脈沖信號。電路中R3、R4、RP2為方波輸出占空比調(diào)節(jié)電阻，RP2用以對R3、R4進(jìn)行微調(diào)。R1及R2、RP1組成分壓網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)節(jié)RP1同，改變ICL8038第8腳輸入電壓,從而獲得不同的頻率輸出。C3—C4為10腳外接電容，由S選擇可得到四個(gè)頻段的信號輸出。ICL8038第9腳輸出5v的方波經(jīng)R9加到IC2的同相端進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)Q點(diǎn)亮發(fā)光二極管，反相端與限流電阻R8相接形成恒流控制，起到限流的作用，為了得到較高精度的脈沖信號，電容C1—C4應(yīng)選用鉭電容，電阻為1/4w金屬膜電阻，電路中當(dāng)4腳和5腳上的電阻相等時(shí)，輸出方波占空比為50%。通過S改變外接電容可獲得如下四個(gè)頻段：1Hz—300Hz,22Hz—7KHz,80Hz—23KHz,460Hz—170KHz。還可以更換 10腳的電容，可以得到其它的頻段，但最大到300KHz。

二、脈沖驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案

圖2 脈沖驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)電路

為了觀察不同占空比、不同的頻率開關(guān)點(diǎn)亮LED時(shí)，LED的光電參數(shù)變化，設(shè)計(jì)圖2所示的實(shí)驗(yàn)電路。采用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同占空比（10%～95%）、不同的頻率100Hz—300kHz、峰值為0—5V的脈沖信號，控制功率開關(guān)管（選用耗盡型IRF840)通斷，LED(采用小功率3W白光)由WY精密雙路直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)壓直流供電，利用感光二極管（固定受光面與LED發(fā)光面的距離）接收LED發(fā)出的光，用數(shù)字萬用表測量通過感光二極管中的電流值作為LED的光強(qiáng)的表示；由于是脈沖間斷接通電路點(diǎn)亮LED，單位時(shí)間內(nèi)電路只有高脈寬時(shí)間段導(dǎo)通，所以采用電壓、電流再和占空比加權(quán)可得實(shí)際電功率為[13]：P=U×I×Q

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.不同占空比下頻率與照度的關(guān)系（照度用流過感光二極管的電流表示）

圖3 不同占空比下頻率與照度的關(guān)系

如圖3所示，占空比為10%時(shí)，隨頻率的增加，LED的照度增加，頻率到20kHz達(dá)到最大照度（7.5MA），之后隨之減小。當(dāng)占空比為30%、50%時(shí)，隨頻率的增加，LED的照度增加，頻率到100kHz達(dá)到最大，但LED的照度的最大值分別為18MA、23.8MA，為30%時(shí)，隨頻率的增加，照度達(dá)最大之后，下降較快，為50%時(shí)，下降緩慢。當(dāng)占空比為60%、70%時(shí)，隨頻率的增加，LED的照度增加，頻率到100kHz達(dá)到最大，之后隨頻率的增加基本趨于不變，但LED的照度的最大值都很接近，為27.6MA、27.75MA。也就是說，脈沖驅(qū)動(dòng)下，高占空比、高頻率（100kHz）驅(qū)動(dòng)，LED的發(fā)光強(qiáng)度已達(dá)最佳亮度，在增加占空比和頻率也不能提高其亮度。所以，對于大功率白光LED采用脈沖時(shí)，宜用占空比為60%、頻率為100kHz，幅度為0—5v的方波脈沖。

2.一定頻率下占空比與照度關(guān)系（照度用流過感光二極管的電流表示）

圖4 頻率為100Hz時(shí)占空比與照度的關(guān)系

如圖4所示，頻率為100Hz時(shí)，其照度隨占空比的增加而增加，在60%——90%其照度增加緩慢，趨于不變。頻率為100kHz時(shí)，其照度隨占空比的增加而增加，但增加要比100Hz時(shí)要大，在60%——90%其照度增加緩慢，趨于穩(wěn)定的最大值。這與圖3的數(shù)據(jù)相吻合，結(jié)果一致。

3.一定頻率下占空比與LED發(fā)熱溫度的關(guān)系

圖3 一定的頻率下占空比與LED發(fā)熱溫度的關(guān)系

如圖3所示，頻率為100Hz，隨著占空比的增加，LED的發(fā)熱也增加，占空比越大LED發(fā)熱溫度越高。這就說明，高占空比下，LED的發(fā)熱溫度高，時(shí)間過長會(huì)降低LED燈的使用壽命，照度也會(huì)下降。所以，不宜用高占空比的脈沖驅(qū)動(dòng)大功率白光LED燈。

四、結(jié)論

通過脈沖驅(qū)動(dòng)大功率白光LED燈的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為使發(fā)光指標(biāo)得到有效改善，溫升幅度降低，宜采用占空比60%、頻率100kHz的脈沖驅(qū)動(dòng)，占空比、頻率過低，大功率白光LED燈的發(fā)光亮度達(dá)不到正常光效。但是，不同的廠家生產(chǎn)的大功率白光LED燈會(huì)有所不同，需要實(shí)際測試而定。該實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)脈沖驅(qū)動(dòng)大功率白光LED方案奠定了必要的基礎(chǔ)；對其光通量的測量、光譜的測量，脈沖峰值電流、電壓的測量等進(jìn)行了有意義的探索。后續(xù)的工作需要進(jìn)一步探討脈沖點(diǎn)亮LED的光效評估方法及脈沖方式對耗盡型場效應(yīng)開關(guān)管對LED電流的影響。

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Experimental Study of Pulse Light Em itting Efficiency of High Power White LED Driver

TAN Fu-kui WANG Jing YAO Ping
（Xingyi Normal University for Nationalities,Xingyi,Guizhou 562400，China）

Based on the pulse width modulation circuit（PWM）design principle,research on pulse drive high power white LED DC pulse power supply circuit,comparing the experimental tests of different duty ratio,different frequency pulse mode,transient light LED light intensity,temperature rise situation,exploration through pulse drive power to improve the implementation scheme of the LED luminous efficiency,and obtained the preliminary experimental results.

Pulse Driving;High Power LED;Brightness;

1009—0673（2015）02—0117—04

TN312.8

A

2015—02—15

黔西南州科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014—7）。

潭福奎（1966— ），男，貴州興仁人，興義民族師范學(xué)院物理與工程技術(shù)學(xué)院高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電路與系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：楊合成