驅動小功率LED時,電流不會太大,如上圖使用限流電阻穩定電流,足夠應用于大多數場景的,一旦LED功率上去了,RL電阻體積就會變大,同時因為限流電阻無法實現自身的調節,在電源波動等情況下,會造成明顯的亮度變化。比如一個3.3V 120mA的LED,用6V電壓驅動,這個電路的RL就應該是(6V-3.3V)/120mA=22.5歐 功率則是2.7Vx120mA=0.324W,這個功率值大于常用的1/4W(250mW)電阻功率。所連接的LED功率越大,RL要求的功率也就越大,體積也就越大。讓電源盡可能接近LED的壓降值,是可以減少限流電阻功率要求。
為解決這些問題,人們發明了很多用于恒流的電路和芯片,下圖是一個低成本、簡單的恒流電路。工作電壓受限于NMOS的GS極電壓以及NPN管工作電壓,工作電壓范圍可以定在2-18V,最高工作電流則要看NMOS可以承載的電流,NMOS也可以用三極管取代。工作原理大致如下,VCC通過R1加載到NMOS的G極,NMOS導通,當電流流過RL時,RL兩端會產生一個電壓,這個電壓的大小和電流以及RL阻值相關的,由于Q1的存在,RL流過的電流大到一定值時,兩端電壓達到0.6V后(根據元件參數不一樣這個值會在0.5-0.7之間,這里選定0.6),Q1就會導通,Q1的Ib放大后,結合R1會形成分壓加載到Q2的G極控制NMOS阻止電流的增加。所以VCC=0.6+Vds+Vled,流過LED的電流則可以由0.6V/RL來計算得出。當某些原因,如溫度上升導致流過LED的電流變大時,流經Q1的Ib也會變大,R1得到的分壓也會變大,而Q2的G極電壓則會變小,G極電壓變小NMOS受控內阻變大,又導致LED電流變小,從而使電流恒定。LED電流變小時,變化的量則是相反了。當電源電壓改變時,會導致Q2的DS極電壓也變化,Q1的Ib也相應變化,導致不同的電源電壓時電流也是保持基本不變。
如果手頭上有NMOS管IRL510,晶體管S8050,電源電壓5V,需要驅動一個壓降約為2.3V左右,電流最大300ma的LED,試計算各參數值。先是設定LED電流為270mA,那么RL=0.6V/270mA,RL的計算值為2.2歐。R1的值太小的話,會增加電路的功耗,太大會RL的電壓變小,所以這里選擇為1K。這種電路的功耗比較大,多余的能耗會消耗在NMOS和RL上,NMOS的功耗(5V-2.3V-0.6V)x270mA=0.567W,0.6W左右可以不需要安裝額外的散熱器,RL的功耗0.6Vx270mA=0.162W,RL至少要選用1/4W或以上的型號,最后得到的電路如下圖。
使用面包板搭個電路,電路工作正常。測量電流、電壓值如下圖所示。從測量值可以看出實際的實驗值和計算值基本吻合的。從NMOS的D極電壓值也可以看出,這種電路的能耗比較大,在這個實驗中5V的電源情況下,Q2和LR會浪費掉一半的能量,并轉換成熱量散發。所以在使用這種電路時,電源的值最好能盡可能的接近于發光二極管組件的壓降,同時要注意Q2或RL的功率和散熱問題。
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