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LED设计中的H桥

时间:2019-11-19 来源:中电网 关键字:H桥   LED   照明设计   

随着科学技术的发展,LED技术也在不断发展,为我们的生活带来各种便利,为我们提供各种各样生活信息,造福着我们人类。基于 H 桥的 LED 照明新技术 H 桥是一种以用户定义方式驱动直流电机的经典电路,如正/反方向或通过四个分立/集成开关或机电继电器的 PWM 辅助控制的 RPM。

它广泛应用于机器与功率 电子中。本设计实例是该技术的一种全新的实现方法,能以全波限流模式,从交流电源直接驱动白光 LED 阵列,从而实现一种无闪烁、高能效的固态照明灯。电路会在激励电压的正、负偏移期间,采用交替电开关工作方式,将激励电压的负半周和正半周内的 LED 激励电流控制并维持在一个恒定的水平。这种方法可对交流电压做电流控制的整流,使之成为串联 LED 的直流供电电压,有干净几乎无纹波的电流,大大改进了功率因数。

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原理见图1,晶体管 Q1、Q3和 Q5与二极管 D4,还有晶体管 Q2、Q4和 Q6与二极管 D3均配置为串联的压控电流开关,构成 H 桥的两个臂;二极管 D1和 D2构成桥的另外两个臂。 LED 串连接在桥的中点之间,两个点分别叫 VLED+和 VLEDGND。交流电通过一个限流 PTC 电阻 R5、串联电容 C4和 C5(构成一只无极性电容 CEFF),以及电感 L1施加到电路上。同样,主交流电的中性线通过电感 L2连接到电路的大地。

在正半周内,交流电源总线相对大地为正,晶体管 Q1通过电阻 R1获得适当的基极偏置。电流流经二极管 D4、晶体管 Q1,以及电阻 R3,如箭头 A1所示,然后流过由12只中功率 LED(LED1~LED12)构成的 LED 串,通过二极管 D2进入大地,如箭头 A2所示。同样,在负半周时,交流电源总线相对大地为负,晶体管 Q2通过电阻 R2获得基极偏置。电流流经二极管 D3、晶体管 Q2,以及电阻 R4,如箭头 A3所示,然后流过 LED 串,通过二极管 D1进入交流电 源总线,如箭头 A4所示。这样,在一个完整周期内,电流以相同方向流过 LED 串,获得了一个全波整流桥的效果。不过,电流 ILED 的幅度保持恒定,因为受到了作为压控电流源的相应开关的调节。

由于晶体管 Q3和 Q4的基射结分别连接在电流检测电阻 R3和 R4上,当 R3和 R4上的压降上升到 Q3和 Q4的基射电压以上时,两个晶体管导通。在这个点,Q1和 Q2的基极均被拉低,扰乱了在相应交流电源半周内通过它们的电流。流过晶体管的电流以这种方式保持恒定,永远不会超过某个阈值,这个阈值通过选择 R3和 R4的值进行设置。Q5和 Q6将 Q1和 Q2的基极电流限制在一个安全值(大约为 150μA),确保它们永远不会过驱。当 Q1和 Q2各自基射电压超过了分别与 R1和 R2串联的 R6和 R8上的压降时,Q1和 Q2基极电流的相当大部分通过 Q5和 Q6,被分流给 R3和 R4。

进入总线的交流电流幅度受到主频率下 CEFF 电抗(1/2πfCEFF)的限制,可以通过 选择 C4 和 C5而改变,两只电容构成一个无极性电容。电路也可以由一个阻性电源驱动,方法是用一个50Ω~200Ω的合适大功率电阻代替 CEFF。这样有 助于获得出色的功率因数,但付出的代价是限流电阻有非常大的功耗。可以根据所需要恒流水平,适当选择 R3和 R4。D5为 LED 串提供高反压保护,而 R5限制了上电时的浪涌电流。电感 L1和 L2与电容 C1帮助尽量减少 EMI/RFI,同时提高功率因数。可以与交流电源并排插一个金属氧化物压敏变阻器,以保护电路不发生瞬变。

电路中的12只0.5W 的 LED 在120mAdc(135mARMS)下工作,而相应的电流检测电阻 R3和 R4选为1Ω。不过,LED 的数量可以增加到18 只,只要 LED 串上施加的电压超过单只 LED 正向电压之和(白光 LED 的正向电压在3.3V~4V 范围内变化)。LED 上的电压是自限的(本例中,大约是 42V),不需要任何额外的调节,因为当工作在正偏模式时,串联 LED 的行为就像大功率齐纳二极管。电路在230V 交流电源下消耗功率为11.5W,功率因数为0.93,LED 上没有任何闪烁现象。

可以选择在 VLED+和 VLEDGND 之间连接一只220μF 的电容 C2,进一步抑制纹波,见图2。另外,可以用六个并联 LED 串取代现有灯串,每一串上有12只~18只标称20mA 的高亮度 LED。晶体管 Q1和 Q2必须装有散热片,以避免热失控。相信在未来的科学技术更加发达的时候,LED会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便,这就需要我们的科研人员更加努力学习知识,这样才能为科技的发展贡献自己的力量。

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