LED補(bǔ)光燈的設(shè)計(jì)與研究*

周迎新，秦會斌*，侯艷波，沈 煜，秦惠民

(1.杭州電子科技大學(xué)新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州310018;2.浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院，杭州310000;3.嘉善福尼電子有限公司，嘉善314100)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境和能源問題受到越來越多的關(guān)注。各種燈具發(fā)光所消耗的能源在全球能源消耗量里占有不可忽視的比重。據(jù)統(tǒng)計(jì)照明應(yīng)用領(lǐng)域消耗的能源約占全球所有能源消耗的19%［1］。因此使用更節(jié)能環(huán)保的照明技術(shù)越來越重要［6-7］。

如今隨著生活節(jié)奏的加快，我國的汽車保有量越來越大，因而對道路交通的監(jiān)控和監(jiān)管越來越重要。有效的了解和收集道路信息，對過往車輛的監(jiān)控，這就需要對車輛進(jìn)行拍照記錄。攝像頭對燈光的要求比較高，特別是夜間光照極低的環(huán)境下為了取得車輛以及車牌號的清晰圖像，道路監(jiān)控用補(bǔ)光燈就顯得十分的有必要。

道路監(jiān)控補(bǔ)光燈要求待機(jī)功耗低，有觸發(fā)信號時(shí)能夠瞬間達(dá)到最高亮度。由于LED是固體光源，具有體積小，響應(yīng)快［5］，可以模塊組合，節(jié)能等特點(diǎn)十分適合道路監(jiān)控補(bǔ)光燈的要求。

圖1 整體原理框圖

1 總體原理框圖及工作原理

如圖1所示閃光燈原理框圖，由充電電源，控制器(MCU)，儲能電容，光敏傳感器及輔助電源和散熱風(fēng)扇組成。

LED燈珠的光通量與其流過的電流基本成正比，如圖2所示。其流過的電流又與其兩端所加電壓呈指數(shù)倍關(guān)系，如圖3所示。所以燈珠兩端電壓提高可以提高亮度，但是也不能無限制的提高。過高的電壓會燒毀燈珠。LED燈珠可以在很短時(shí)間內(nèi)耐受大電流，因此利用這個(gè)特點(diǎn)瞬間內(nèi)提高電壓使其閃爍，用于道路的監(jiān)控拍攝補(bǔ)光。

圖2 相對光通量與正向電流關(guān)系特性

圖3 LED伏安特性曲線(Ta=25℃)

2 主要模塊工作原理

2.1 儲能電容的選擇

LED補(bǔ)光燈待機(jī)時(shí)平均功耗較小，但是由于瞬間閃爍所輸出的功率非常大(道路監(jiān)控拍攝所用補(bǔ)光燈閃爍時(shí)的輸出功率超過200 W)，因此一般的小功率電源無法瞬間提供如此之大的能量，所以采用了小功率充電電源加大容量儲能電容的組合。這樣待機(jī)時(shí)功耗小于10 W，又能保證閃爍時(shí)提供足夠的能量。以閃光瞬時(shí)輸出為200 W閃光時(shí)間100 ms電容電壓20 V為例計(jì)算如下

2.2 散熱模塊的選擇、充電電源的選擇

散熱模塊可以根據(jù)工作環(huán)境，燈珠封裝形式進(jìn)行靈活選取。

充電電源的選擇是十分重要的。在燈珠串并聯(lián)形式一定的情況下，充電電源的電壓基本決定了補(bǔ)光燈的亮度。其具體瓦數(shù)要根據(jù)車流量來決定，閃光頻繁的地段需要配大功率電源。

2.3 控制模塊的設(shè)計(jì)

由于控制模塊是LED補(bǔ)光燈的核心部分，所以下面討論其工作原理。

單片機(jī)的供電是由充電電源提供的，因?yàn)槠涔ぷ麟妷罕容^低，所以需要使用電源芯片轉(zhuǎn)換電壓［2］。此芯片也負(fù)責(zé)為整個(gè)控制模塊進(jìn)行供電。

電源芯片選擇開關(guān)型降壓芯片，效率高發(fā)熱少，結(jié)構(gòu)也比較簡單。以5 V電壓為例說明其選取。芯片選擇LM2576的5 V版本，其內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和固定頻率的振蕩器，能極大地減少外部器件的數(shù)量。外接器件形成Buck拓?fù)洌ぷ鞣€(wěn)定，效率達(dá)到95%以上。

觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用有源觸發(fā)和無源觸發(fā)兩種形式，靈活配合，方便各種控制方式的接入，提高了通用性。由圖可知，觸發(fā)電路使用光耦隔離，提高了控制的穩(wěn)定性，減少外界的干擾，同時(shí)也增加了安全性。有源觸發(fā)端加入TVS管，防止外接觸發(fā)脈沖過大損壞觸發(fā)電路。兩個(gè)觸發(fā)電路的輸出接入到MCU的外部中斷口，不經(jīng)過中介，提高了反應(yīng)的速度，保證了閃光的實(shí)時(shí)性。觸發(fā)端接入整個(gè)監(jiān)控控制系統(tǒng)，既可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定自動運(yùn)行，也可以在需要的情況下人工控制其工作。

圖4 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

由于加在LED燈珠兩端的電壓很高，流過其的電流很大。經(jīng)測量，使用單顆功率為0.06 W的LED草帽燈珠(串并聯(lián)方式為3串150并)，加20 V電壓，閃光瞬間輸入電流大約為20 A。所以控制開關(guān)管所需耐受的電流需大于80A，這種開關(guān)管的驅(qū)動電流較大，一般的單片機(jī)都無法直接驅(qū)動，因此設(shè)計(jì)了如圖5所示的驅(qū)動電路。

MCU的管腳電流可以直接驅(qū)動一般NPN或者PNP型三極管［4］，因此利用這種三極管作為中介間接驅(qū)動開關(guān)管的通斷。

圖5 閃光驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件構(gòu)架如圖所示，控制程序［3］由4大部分組成;外部觸發(fā)，爆閃時(shí)間設(shè)定，背光開啟判斷以及外部通訊端口。構(gòu)架圖如圖6所示。

圖6 軟件構(gòu)架圖

為了適應(yīng)不同控制的需求，加入了通訊端口，使用RS-485串口作為通訊端口。引入串口就可以方便的使補(bǔ)光燈與交通控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，也方便了人工控制的加入。軟件流程如圖7所示，正常工作時(shí)，光線感應(yīng)器傳回?cái)?shù)據(jù)，程序?qū)ν獠抗庹涨闆r進(jìn)行判斷。程序?qū)⒐庹辗譃閹准墸鶕?jù)不同的級數(shù)對爆閃時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。同時(shí)背光控制子程序也進(jìn)行判斷，判斷是否要開啟背光。

圖7 軟件流程圖

當(dāng)自動觸發(fā)信號進(jìn)入時(shí)，程序進(jìn)入中斷1，根據(jù)爆閃設(shè)定子程序所設(shè)定爆閃時(shí)間進(jìn)行閃光［8］。由于設(shè)計(jì)了通訊接口，可以與終端控制器進(jìn)行通訊，控制終端調(diào)用中斷2就可以很方便的隨時(shí)查看補(bǔ)光燈工作情況，同時(shí)也可以根據(jù)需要在人工控制與自動控制之間進(jìn)行切換。這樣滿足各不同控制系統(tǒng)的不同要求，一機(jī)多用，同時(shí)也留下了擴(kuò)展的功能。根據(jù)不同的需求可以輕松的進(jìn)行功能的擴(kuò)展。

4 樣機(jī)測試

實(shí)驗(yàn)室中使用電流探頭對補(bǔ)光燈爆閃時(shí)電流進(jìn)行的了采樣。采樣波形如圖8所示。從圖中可以看出爆閃時(shí)瞬間電流達(dá)到近80 A。

圖8 爆閃時(shí)電流波形

補(bǔ)光燈整體電路連接以及補(bǔ)光工作效果圖如圖9所示。工作效果圖為在低光照強(qiáng)度下進(jìn)行，背光已經(jīng)自動開啟。

圖9 LED補(bǔ)光燈整體控制電路與工作效果圖

5 結(jié)論

通過對LED特性的闡述以及對電路的設(shè)計(jì)和樣機(jī)的制作和測試，證明了LED在應(yīng)用于城市交通補(bǔ)光燈上的獨(dú)有的優(yōu)勢。由于設(shè)計(jì)時(shí)間較短，還是存在一定的不足，會在后續(xù)的設(shè)計(jì)中不斷完善。

［1］Frank Marx.LED照明勢在必行［J］.電子技術(shù)，2006(4):80.

［2］Atmel Corporation.ATMEL單片機(jī).http://www.atmel.com.

［3］劉韶濤，潘秀霞，應(yīng)暉.C語言程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011:1.

［4］華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006:5.

［5］邴樹奎，高杰.LED在照明工程中的應(yīng)用［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(5):101-108.

［6］馬振，劉志軍.關(guān)于LED發(fā)展趨勢的探討［J］.科技資訊，2010，11:132

［7］朱小光.淺談LED照明技術(shù)的應(yīng)用［J］.硅谷，2010，6:27

［8］李廣弟，朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2001:7.