恒流源驱动电路的制作

项 目 三 LED屏 幕 显 示 项 目 描 述 从 LED的 光 电 特 性 入 手 分 析 恒 流 式 驱 动 的 优越 性 ， 进 而 禅 述 恒 流 源 电 路 及 其 应 用 ； 从 LED点 阵 显 示 屏 的 结 构 出 发 ， 分 析 LED点 阵 显 示 屏显 示 字 符 的 原 理 ； 从 LED点 阵 显 示 字 符 实 训 ，LED显 示 屏 的 组 装 ， 到 LED显 示 屏 的 调 试 和 演示 操 作 ， 使 操 作 技 能 得 到 进 一 步 提 高 。知 识 目 标理 解 LED在 显 示 领 域 的 应 用 。 任 务 一 恒 流 式 驱 动 电 路 技 能 目 标学 会 LED条 形 屏 的 组 装 。任 务任 务 二 点 阵 显 示 系 统 任 务 三 点 阵 显 示 系 统 的 组 装 与 软 件 操 作 任 务 一 恒 流 式 驱 动 电 路一 、 恒 流 式 驱 动 电 路1 LED驱 动 电 源 的 特 点 及 要 求 首 先 LED不 能 直 接 使 用 常 规 的 电 网 电 压 ， 从 LED的 伏 安 特 性 可 知 ， 只 能 给 LED两 端 加 上 一 定 的 直 流 电 压 或 通 上 一 定 的 直 流 电 流 才 能 使LED发 亮 ，另 外 ， 在 选 择 和 设 计 LED驱 动 电 源 时 还 要 考 虑 到 以下 几 点 要 求 ：（ 1） 高 可 靠 性（ 2） 高 效 率（ 3） 高 功 率 因 素 n（ 4） 驱 动 方 式n（ 5） 浪 涌 保 护n（ 6） 保 护 功 能n（ 7） 防 护 方 面n（ 8） 驱 动 电 源 寿 命 要 与 LED寿 命 相 匹配 n（ 9） 要 符 合 安 规 和 电 磁 兼 容 2 LED采 用 恒 流 源 驱 动 的 优 点n（ 1） 从 LED的 伏 安 特 性 分 析n 若 是 采 用 恒 压 式 供 电 ， 必 须 要 求 恒 压源 有 足 够 高 的 精 度 ， 否 则 LED工 作 极 其不 稳 定 ，n 甚 至 会 烧 坏 LED。 （ 2） 从 伏 安 特 性 的 温 度 系 数 分析LED的 伏 安 特 性 并 不 是 固 定 的 ，而 是 随 温 度 而 变 化 的 ， 所 以 电 压定 了 ， 电 流 并 不 一 定 是 不 变 的 ，而 是 随 温 度 变 化 的 。 这 是 因 为 是LED是 一 个 二 极 管 ， 它 的 伏 安 特性 具 有 负 温 度 系 数 的 特 点 。 （ 3） LED显 示 屏 的 显 示 效 果 分 析 由 于 LED制 造 工 式 的 差 异 性 ， 即 使 是 同厂 家 同 型 号 的 LED， 其 正 向 压 降 也 存 在 有分 散 性 ， 当 采 用 恒 压 驱 动 多 只 并 联 的 LED时， 各 工 作 电 流 也 会 有 所 不 同 ， 导 致 光 学 特性 的 不 一 致 ， 因 此 ， 最 好 的 办 法 是 恒 流 控制 。二 、 恒 流 式 驱 动 电 路 的 形 式 与 结 构1 恒 流 式 驱 动 （ a） 三 极 管 的 LED负 载 曲 线 （ b） 基 极 电 流 控 制 （ c） 基 极 电 压 控 制 图 3-3 LED作 负 载 与 三 极 管 串 联 图 3-3（ a） 是 LED作 为 三 极 管 放 大 电 路 的 负 载 曲 线， 如 果 直 接 使 用 三 极 管 基 极 电 流 控制 其 集 电 极 电 流 ， 如 图 3-3（ b） 所 示 ， 由 于 三 极 管放 大 倍 数 的 分 散 性 ， 同 样 的 基 极 电流 ， 会 产 生 不 同 的 集 电 极 电 流 ， 因 此 采 用 基 极 电 压控 制 方 式 更 为 合 理 ， 如 图 3-3（ c）所 示 ， 即 在 发 射 极 中 串 联 电 阻 Re， 这 时 有IcIe (Ub Ube) Re 2 基 本 恒 流 源 电 路 图 3-4 基 本 镜 像 恒 流 源 基 本 镜 像 恒 流 源 电 路 ， 如 图 3-4所 示 。 三 极 管 T1、 T2参 数 完 全 相 同 ， 则 有 1 2， ICEO1 ICEO2， 由 于 两 管 具 有 相 同 的 基 -射 极间 电 压 （ UBE1 UBE2)， 故 IE1 IE2， IC1 IC2。 当 较 大 时 ， 基 极 电 流 IB可 以 忽略 ， 所 以 T2的 集 电 极 电 流 IC2近 似 等 于 基 准 电 流 IREF， 即 ：IC2 IC1IREF (UCC UBE) RUCC R 由 上 式 可 以 看 出 ， 当 R 确 定 后 I REF 就 确 定 了 ，IC2 也 随 IREF 而 定 。 我 们 可 以把 IC2 看 作 是 IREF 的 镜 像 ， 所 以 称 为 镜 像 恒 流 源 。 （ 2） 用 三 极 管 提 供 基 准 电 压 的 恒流 源 图 3-5 三 极 管 be电 压 作 基 准 电 压 的 恒 流 源 （ 3） 用 稳 压 二 极 管 提 供 基 准 电 压 的 恒 流 源 图 3-6 稳 压 二 极 管 作 基 准 电 压 的 恒 流 源 （ 4） 用 三 端 可 调 电 压 基 准 集 成 电 路 提 供 基 准 电 压 的 恒 流 源图 3-7 TL431的 图 形 符 号 和 外 形 图TL431是 一 个 有 良 好 的 热 稳 定 性 能 的 三 端 可 调 分 流 基 准 源 。 它 的 输 出 电 压 用 两 个 电 阻就 可 以 任 意 地 设 置 从 2.5V到 36V范 围 内 的 任 何 基 准 电 压 值 。 TL431可 等 效 为 一 只 稳 压 二 极 管 ， 其 基 本 连 接 方 法 如 图 3-8所 示 。 图 （ a） 作 为 2.5V基准 电 压 源 ； 图 （ b） 作 为 可 调 基 准 电 压 源 ， 电 阻 R1和 R2与 输 出 电 压 的 关 系 为UO=2.5(1+R1/R2)V。 （ a） 2.5V基 准 源 （ b） 可 调 基 准 源 图 3-8 TL431的 基 本 连 接 方 式 如 图 3-9 所 示 ， 是 TL431作 2.5V基 准 电 压 的 恒 流 源 ， 电 阻 R2是 电 压 取 样 电 阻 。 一 旦 需要 的 电 流 大 小 确 定 后 ， 这 个 阻 值 就 定 了 ， R2 2.5 I。 图 3-9 TL431作 基 准 电 压 的 恒 流 源 3 集 成 恒 流 源 目 前 由 于 LED的 广 泛 使 用 ， 对 LED驱 动 电 路 的 功 能 和 品质 等 各 方 面 均 提 出 了 较 高 的 要 求 ， 现 在 许 多 集 成 电 路 （ IC） 产 家 已 生 产 出 各 种 类型 的 LED驱 动 IC， 以 便 在 不 同 的 情 况 下 供 设 计 人 员 选 择 ， LED驱 动 IC目 前 市 场 需求 按 应 用 来 分 基 本 有 四 大 类 ：（ 1） 用 于 消 费 性 电 子 产 品 ， 其 应 用 特 点 是 以 电 池 为 能 源， 一 般 为 4.2V 8.4V， 因 此 低 电 压 、 小 电 流 的 LED驱 动 电 源 是 目 前 量 大 面 广 的产 品 ， 消 费 性 电 子 产 品 的 LED 驱 动 电 源 拥 有 比 较 成 熟 的 技 术 、 产 品 和 相 对 成 熟 的市 场 。 （ 3） 用 于 建 筑 装 饰 照 明 和 家 庭 照 明 ， 主 要 功 能 是 将 交 流 电 压 转换 为 恒 流 电 源 ， 并 同 时 完 成 与 LED的 电 压 和 电 流 的 匹 配 。 建 筑 装 饰 照 明 和 家 庭照 明 ， 则 需 要 将 交 流 （ AC） 能 直 接 变 换 成 直 流 （ DC） 恒 流 源 的 LED驱 动 IC，目 前 还 不 能 提 供 单 个 的 集 成 电 路 产 品 ， 大 多 数 是 模 块 化 电 路 。（ 2） 用 于 汽 车 照 明 产 品 ， 因 其 电 源 稳 压 器 来 自 汽 车 蓄电 池 ， 一 般 是 48V， 所 以 需 要 较 高 电 压 降 压 的 LED驱 动 IC。 汽 车 照 明 产 品 使 用LED的 数 量 较 多 ， LED多 采 用 串 、 并 联 连 接 ， 需 要 较 高 的 电 压 ， 对 于 取 自 48V汽 车 蓄 电 池 的 电 源 来 说 是 十 分 方 便 的 。 （ 4） 用 于 LED屏 幕 显 示 ， LED显 示 屏驱 动 IC可 分 为 通 用 IC和 专 用 IC两 种 。三 、 集 成 恒 流 源 电 路 的 应 用1 低 电 压 类 IC低 电 压 类 IC是 指 其 输 入 电 压 低 ， 一 般 不 超 过DC15V， 主 要 在 以 电 池 为 电 源 的 便 携 式 产 品 中使 用 。 可 实 现 低 电 压 类 驱 动 的 IC型 号 较 多 ， 几乎 大 多 数 的 IC生 产 公 司 均 有 相 似 的 产 品 。 每 个型 号 的 LED驱 动 IC既 有 共 同 点 ， 又 有 各 自 的 特点 。 如 有 的 具 有 可 调 光 功 能 ， （ 1） LM3590为 小 功 率 白 色 LED简 单 驱 动 IC， 如 图 3-10所 示 是它 的 外 形 图 ， 输 入 电 压 6V 12V； 输 出 电 流 20mA； 降 压 型 ； SOT235贴 片 封 装 。 图 3-10 LM3590外 形 图 LM3590的 引 脚 功 能 ： 1可 编 程 电 流 输 入 端 ， 编 程 电 阻RSET =100 （ 1 25 IOUT） ；2地 ； 3恒 流 输 出 端 ； 4电 压 输 入 端 ， 输 入 电 压 范 围 6V12V； 5使 能 端 。EN为 低 电 平 时 ， 无 输 出 ； EN为 高 电 平 时 ， 有 输 出 。LM3590的 典 型 应 用 电 路 ， 如 图 3-11所 示 。 图 3-11 LM3590的 典 型 应 用 电 路 （ 2） MAX1561为 高 效 率 升 压 型 变 换 器 ， 它 们 能 够 以 恒 定 电流 、 87 的 效 率 驱 动 多 达 6个 白 光 LED， 可 为 便 携 式 电 子 设 备 提 供 背 光 照 明。 其 升 压 转 换 结 构 允 许 白 光 LED串 联 连 接 ， 使 每 个 LED保 持 相 同 的 电 流 ，以 获 得 均 匀 的 亮 度 ， 不 需 要 限 流 电 阻 。 图 3-12 MAX1561的 典 型 应 用 电 路 2 中 电 压 类 IC中 电 压 类 IC是 指 其 输 入 电 压 一 般 在 几 伏 至 几 十 伏 之 间 ， 该类 IC主 要 可 用 于 以 蓄 电池 为 输 入 电 压 源 ， 以 汽 车 的 LED灯 饰 产 品 为 主 ， 如 用 于 汽车 阅 读 灯 、 刹 车 灯 、 转 向 灯 等 。AMC7150的 典 型 应 用 电 路 ， 如 图 3-13所 示 。 图 3-13 AMC7150的 典 型 应 用 电 路 3 高 电 压 类 IC高 电 压 类 IC是 指 其 输 入 电 压 一 般 可 达 到 几 百 伏 ， 它 的 输 入 端 能 承 受 由 市 电直 接整 流 得 到 的 全 部 直 流 电 压 ， 而 不 需 要 降 压 。 这 类 IC主 要 用 于 以 市 电 为 电 源的 各种 照 明 中 ， 如 户 外 景 观 灯 、 LED路 灯 、 LED日 光 灯 、 LED射 灯 、 LED台 灯等 。 HV9910的 典 型 应 用 电 路 ， 如 图 3-14所 示 。 图 3-13 AMC7150的 典 型 应 用 电 路 四 、 LM317恒 流 源 电 路 的 分 析 和 指 导1 LM317集 成 电 路 介 绍LM317是 三 端 可 调 稳 压 集 成 电 路 ， 输 出 电 压 范 围 是 1.2V 至 37V， 负 载 电 流 最大 为1.5A。 它 的 使 用 非 常 简 单 ， 仅 需 两 个 外 接 电 阻 来 设 置 输 出 电 压 。 此 外 它 的 线性 调整 率 和 负 载 调 整 率 也 比 标 准 的 固 定 稳 压 器 好 。 LM317 内 置 有 过 载 保 护 、 安 全区 保护 等 多 种 保 护 电 路 。 图 3-15 LM317外 形 图 和 图 形 符 号 2 用 LM317构 建 恒 流 源 电 路 图 3-16 LM317的 恒 流 源 电 路 LM317工 作 时 ， LM317建 立 并 保 持 输 出 端 与 调 节 端 之 间 1 25V的 标称 参 考 电 压 (Vref)， 利 用 这 一 特 点 可 以 构 建 一 个 简 单 的 恒 流 源 电 路 ， 如 图 3-16所 示 。 从 图 可 以 看 出 ， 流 过 负 载 RL的 电 流 IO为 ： IO I1 I2。 而 I2 U21 R1， 因 U21之 间 的 电 压 为 1.25V且 固 定 不 变 ， 若 保 持 R1不变 ， 则 I2 也 就 不 变 ， 又 因 I1相 对 于 IO而 言 很 小 ， 所 以 IOI2能 保 持 不 变 ， 即 输 出电 流 恒 定 。3 LM317构 成 恒 流 源 驱 动 LED 图 3-17 由 LM317构 成 LED恒 流 驱 动 电 路 LED选 用 普 通 白 光 型 ， 其 工 作 电 压 为 3.03.5V， 工 作 电 流 为 15mA 20mA， 电 源 输入 电 压 为 12V， 因 本 电 路 是 降 压 型 ， 故 UO必须 小 于 Ui， 因 此 采 用 3只 LED 串 联 组 成 一 条支 路 ， 共 用 12只 LED组 成 四 条 支 路 。复 习 思 考 题1 LED驱 动 电 源 的 特 点 是 什 么 ？2 用 恒 流 源 驱 动 LED， 是 不 是 说 LED可 以 无 限 制 的 串联 或 并 联 使 用 ？3 LED驱 动 IC按 应 用 来 分 有 几 类 ？ 主 要 用 于 哪 些 场 合？ 4. 低 压 类 、 中 压 类 和 高 压 类 的 驱 动 IC有 什 么 主 要 的 区 别？ 技 能 训 练 一 恒 流 源 驱 动 电 路 的 制 作 和 安 装 1.实 训 目 的（ 1） 进 一 步 了 解 LM317组 成 的 恒 流 源 驱 动 LED电路 工 作 原 理 ；（ 2） 学 习 用 LM317组 建 恒 流 源 电 路 的 方 法 和 实 际电 路 的 连 接 ；（ 3） 学 习 LED驱 动 电 源 性 能 的 测 试 方 法 。2.实 训 器 材按 表 3-1恒 流 源 驱 动 电 路 的 制 作 和 安 装 实 训 器 材 准 备 。表 3-1 恒 流 源 驱 动 电 路 的 制 作 和 安 装 实 训 器 材 序 号 名 称 型 号 与 规 格 数 量1 三 端 可 调 稳 压 器 集 成 电路 LM317 12 电 阻 18， 1 4W 13 LED 普 通 白 光 124 万 能 板 单 面 板 15 可 调 直 流 电 源 0 24V 1 6 数 字 万 用 表 自 定 17 电 烙 铁 35W（ 或 自 定 ） 1 3.实 训 内 容 与 步 骤按 图 3-17所 示 ， 制 作 和 安 装 恒 流 源 驱 动 电 路 的 步 骤 如 下。 （ 1） 用 万 用 表 检 测 各 元 器 件 ， 确 认 各 元 器 件 的 引 脚 和极 性 。（ 2） 按 装 配 图 ， 安 装 元 器 件 。（ 3） 焊 接 元 器 件 ； 焊 接 元 器 件 间 的 连 接 线 。（ 4） 检 查 电 路 无 误 后 ， 焊 上 断 口 K1和 K2， 接 通 电 源（ DC12V） ， LED点 亮 。4 LM317恒 流 源 驱 动 LED电 路 的 测 试 与 分 析 （ 1） 电 路 的 稳 流 性 能 测 试输 入 电 压 从 8V逐 渐 增 加 到 15V， 测 量 电 路 的 输 出 电 流 ， 并 观 察LED的 亮 度 变 化 情 况 。测 量 数 据 填 入 表 3-2中 。 表 3-2 电 路 的 稳 流 性 能 测 试 序 号 输 入 电 压 （ V） 输 出 电 流 （ mA） LED亮 否1 82 93 104 115 126 13 7 148 15 （ 2） 电 路 的 效 率 测 试 电 路 的 输 入 电 压 保 持 12V， 分 别 测 量 下 列 三种 情 况 时 电 路 的 输 入 电 压 和 电 流 ， 输 出 电压 和 电 流 ， 并 计 算 电 路 的 效 率 ， 结 果 填 入 表 3-3中 。 当 每 支 路 的 LED为 三 只 串 联 时 ， 保 持 原 电 路不 变 ； 当 每 支 路 的 LED为 二 只 串 联 时 ， 将 电 路 中 的AO、 BO、 CO和 DO短 接 ； 当 每 支 路 的 LED为 一 只 串 联 时 ， 将 电 路 中 的EO、 FO、 GO和 HO短 接 。 00100 输 入 电 流输 入 电 压 输 出 电 流输 出 电 压 LED串 数 量 输 入 电 压（ V） 输 入 电 流（ mA） 输 出 电 压（ V） 输 出 电 流（ mA） 效 率 321 表 3-3 电 路 的 效 率 测 试 5.问 题 讨 论（ 1） 从 电 路 的 稳 流 性 能 测 试 中 分 析 ， 当 电 源 电压 变 化 时 ， 电 路 能 否 稳 流 ？ 电 源 电 压 的 变 化 是 否有 一 定 的 范 围 ？（ 2） 从 电 路 的 效 率 测 试 中 分 析 ， 哪 一 种 情 况 电路 的 效 率 最 高 ？ 为 什 么 ？（ 3） 在 图 3-17的 电 路 中 ， 若 LED串 的 并 联 数 再增 加 ， 电 路 能 否 正 常 工 作 ？ 电 路 中 的 哪 些 元 件 及参 数 要 做 何 调 整 ？