54颗LED帕灯为例的舞台灯光的控制原理解析及设计

单片机 2017-12-12 09:23 次阅读

舞台灯光经历了几代的发展,已经由传统的高电压高能耗驱动型帕灯发展成了低电压低能耗的LED灯。以下以54颗LED帕灯为例简略介绍舞台灯光的控制原理及简易制作。

  

  图1 54颗LED帕灯的灯珠排布

  从图1中可知,这种LED帕灯共有4中颜色的LED,分别为红色、蓝色、绿色和白色。光的叠加规律是红光+绿光为黄光,绿光+蓝光为青光,红光+蓝光为品红光,红光+绿光+蓝光为白光。所以在不考虑各色LED的亮度的前提下,这种组合的LED帕灯一共可以发出红色、绿色、蓝色、品红、黄色、青色、白色7种颜色的光。

  常见的LED帕灯所使用的LED是10mm直径的直插式LED,但我实验的时候手头只有3mm直插的蓝色led,二者性能上的差别后文再论。

  驱动方面主要是采用恒流驱动的方式。因为如果是恒压驱动的话需要加限流电阻,这样效率会大大降低。因此驱动方面主要是做一个符合要求的电流源。

  我首先采用运算放大器的方法做了尝试。选用的运放是OP07,使用OP07构成电压跟随器,负载(LED)接入反馈环内,实测过程中发现电流大于24mA以后,运放的同相端与反相端电压值不一致,当输出电流达到30多个毫安的时候,反相端电压已经接近于零,同时输出电流也不再上升。

  实测过程输出电流最大可以达到35mA,led两端的电压为3.35V,可得单个led的功率为115mW。乘以54以后,LED总的功率为6.2W。

  之后我又尝试了采用三极管构成电流源的方案,如图2所示。

  

  图中3V电源主要起控制作用,选用低电压控制主要是为了提高电源效率。图中采用电阻分压的方法为三极管提供基极电压,并在发射极产生电流,Ie=Vb/Re,且Ie=Ic。Ic则是用来驱动LED的电流。实验中,Ic可达到60多个毫安,大于70mA后,电流会自动缓慢上升,分析应该与LED发热无关,可能是因为三极管发热产生了漂移,造成结电阻减小,导致电流不断增大。在实验中,我曾将电流增大至100mA,观察发现led并没有立即损坏,而是每亮一段时间就会熄灭一下,然后再亮,几次以后led才被彻底烧坏。

  以前用led主要是作为指示灯使用。一般都是只用一两支而已,这种情况,用5V电源是足以搞定的。但led数量增多后,考虑到一个一个地去控制既费工又费料。

  所以就得几个led串联起来使用。这里每6支l同样颜色的ed作为一组,一共分成了九组。这时再用5V电源驱动显然是玩不转的,因为6个led串联,总的压降已经十分可观。

  

  图3 4种颜色led串联发光效果

  

  图4 4种颜色led串联的电流与电压值

  我用两个蓝光led和一个红光led的代价总结了以下经验:

  6个绿光led串联时,电流为63.6mA时,总压降20.2V,平均每个led两端电压为3.33V;

  单个蓝光led流过电流为46.1mA时,U=3.6V;

  单个红光led流过电流大于90mA时,led烧坏,小于90mA时压降为2.1V左右

  单个白光led流过电流71.4mA时,U=3.37V。

  应该说,当电流大于40mA以后,led亮度的变化已经不是很明显,说明多余的电流被用于使led发热,而led温度过热会严重影响其寿命,所以这里将其工作电流暂定为35mA(每组)。

  下面是整个led驱动部分的电路图。

  

  图5 驱动部分(电流源)电路图

  

  图6 驱动部分PCB板图

  (未完)

  电路调试时由于手头只有15V和30V的电源,所以先用了30V的电源。亮是亮,不过三极管热的厉害,工作2分钟左右管壳已经有了糊味;之后又试验了15V的电源,结果是除了红色灯全部点亮,其他灯都不能正常工作。

  分析三极管过热的原因可能是电流过大,也可能是Vce过大。所以接下来将开始电源的设计与制作部分。

  这里对电源的要求是具有24V和5V的输出电压,输出功率应不小于5W,现在暂时不予详细论述,因为将要开始下一阶段的功能,即灯光的控制部分。

  这里主要用到的是滤波和信号处理的理论。

 

原文标题:54颗LED帕灯的控制原理及制作

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