驱动小功率LED时,电流不会太大,如上图使用限流电阻稳定电流,足够应用于大多数场景的,一旦LED功率上去了,RL电阻体积就会变大,同时因为限流电阻无法实现自身的调节,在电源波动等情况下,会造成明显的亮度变化。比如一个3.3V 120mA的LED,用6V电压驱动,这个电路的RL就应该是(6V-3.3V)/120mA=22.5欧 功率则是2.7Vx120mA=0.324W,这个功率值大于常用的1/4W(250mW)电阻功率。所连接的LED功率越大,RL要求的功率也就越大,体积也就越大。让电源尽可能接近LED的压降值,是可以减少限流电阻功率要求。
为解决这些问题,人们发明了很多用于恒流的电路和芯片,下图是一个低成本、简单的恒流电路。工作电压受限于NMOS的GS极电压以及NPN管工作电压,工作电压范围可以定在2-18V,最高工作电流则要看NMOS可以承载的电流,NMOS也可以用三极管取代。工作原理大致如下,VCC通过R1加载到NMOS的G极,NMOS导通,当电流流过RL时,RL两端会产生一个电压,这个电压的大小和电流以及RL阻值相关的,由于Q1的存在,RL流过的电流大到一定值时,两端电压达到0.6V后(根据元件参数不一样这个值会在0.5-0.7之间,这里选定0.6),Q1就会导通,Q1的Ib放大后,结合R1会形成分压加载到Q2的G极控制NMOS阻止电流的增加。所以VCC=0.6+Vds+Vled,流过LED的电流则可以由0.6V/RL来计算得出。当某些原因,如温度上升导致流过LED的电流变大时,流经Q1的Ib也会变大,R1得到的分压也会变大,而Q2的G极电压则会变小,G极电压变小NMOS受控内阻变大,又导致LED电流变小,从而使电流恒定。LED电流变小时,变化的量则是相反了。当电源电压改变时,会导致Q2的DS极电压也变化,Q1的Ib也相应变化,导致不同的电源电压时电流也是保持基本不变。
如果手头上有NMOS管IRL510,晶体管S8050,电源电压5V,需要驱动一个压降约为2.3V左右,电流最大300ma的LED,试计算各参数值。先是设定LED电流为270mA,那么RL=0.6V/270mA,RL的计算值为2.2欧。R1的值太小的话,会增加电路的功耗,太大会RL的电压变小,所以这里选择为1K。这种电路的功耗比较大,多余的能耗会消耗在NMOS和RL上,NMOS的功耗(5V-2.3V-0.6V)x270mA=0.567W,0.6W左右可以不需要安装额外的散热器,RL的功耗0.6Vx270mA=0.162W,RL至少要选用1/4W或以上的型号,最后得到的电路如下图。
使用面包板搭个电路,电路工作正常。测量电流、电压值如下图所示。从测量值可以看出实际的实验值和计算值基本吻合的。从NMOS的D极电压值也可以看出,这种电路的能耗比较大,在这个实验中5V的电源情况下,Q2和LR会浪费掉一半的能量,并转换成热量散发。所以在使用这种电路时,电源的值最好能尽可能的接近于发光二极管组件的压降,同时要注意Q2或RL的功率和散热问题。
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