為驅(qū)動一個以上的高亮度白光LED,,設(shè)計工程師需要選擇是串聯(lián)連接LED或是并聯(lián)連接LED,。
并聯(lián)連接只需在每個LED兩端施加較低的電壓,但需要利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來保證每個LED的亮度一致,。如果流過每個LED的偏置電流大小不同,,則它們的亮度也不同,從而導(dǎo)致整個光源亮度不均勻,。然而,,利用鎮(zhèn)流電阻或電流源來保證LED的亮度一致將縮短電池的使用壽命。
采用串聯(lián)連接本質(zhì)上可以很好保證電流的一致性,,但需要給LED串施加較高電壓,。為達到適當(dāng)?shù)恼彰髁炼龋胀ò坠釲ED需要3.6V偏置電壓和最大20mA的偏置電流,。圖1給出了可以調(diào)節(jié)7個白光LED串亮度的低成本電感型升壓電路,。
這個電路可以分成兩個部分:由Q1和Q2組成的升壓電路,以及由Q3和JFET1組成的控制電路,。假設(shè)Q1截止,,當(dāng)電池電壓略高于Q2的VVB時,Q2基極將流過正電流(iB=(電池電壓VBE)/RJET1),。此時,,Q2導(dǎo)通,電感L1接地,。
隨著L1上的電流以di/dt的速度增大,,能量在L1磁場中保存起來。隨著電流逐漸增大,,它也流過Q2的電阻RSAT(SD1和LED串處于截止?fàn)顟B(tài)),。Q2的集電極電壓足夠高,能使Q1導(dǎo)通,。Q1的基極電壓通過由R1和C1組成的前饋網(wǎng)絡(luò)連到Q2的集電極,。R1也被用來限制Q1的基極電流。
Q1導(dǎo)通后,驅(qū)動Q2的基極接地,,于是Q2截止,,L1的能量隨著磁場減弱被釋放到LED串中。
L1的快速回零動作在LED串上施加了高于26V的正向偏置電壓,,使LED發(fā)出白光,。由于人眼感覺不到LED的高頻閃爍,所以該電路可提供亮度恒定的照明,。當(dāng)L1放電結(jié)束后,,Q1返回到截止?fàn)顟B(tài)。
正常工作時,,這個自振蕩動作重復(fù)進行,,直到電池電壓下降到小于Q2的VBE 與JFET1壓降(大約1V)之和,這時Q2不再導(dǎo)通,。L1,、Q2的 RSAT和Q1、Q2的開關(guān)特性也會影響振蕩周期和占空比,。
電池組(4個堿性電池)的電壓被提高到26V以上,,以便向由7個串聯(lián)的白光LED組成的LED串提供正向偏置。
流經(jīng)R4的小直流電流(不到20uA)對Q3進行偏置,,以調(diào)節(jié)JFET1的通道電阻,從而調(diào)節(jié)電池漏電流以延長電池壽命,。JFET1的柵極電壓比電池組電壓高0.9V左右,。這里p-JFET被用作耗盡型器件,當(dāng)VGS等于零時,,p-JFET導(dǎo)通,。
ET的源極連接電池端子。設(shè)計工程師可通過提高柵極電壓(比電池正電壓更高)來關(guān)斷該通道,。柵極電壓比電池電壓越高,,通道電阻就越大。
因此,,當(dāng)電池組電壓從6V下降到3V時,,振蕩頻率下降(JFET1的VGS將略有變化)。此時,,LED的亮度略微下降,。理想情況下,控制環(huán)路將保持LED電流不變,。但人眼對光的靈敏度服從準對數(shù)關(guān)系,,因此在電池組電壓下降到2V左右以前,亮度的小幅度線性下降不易被察覺。
另一種方案是保持電池的輸出功率(電流與電壓之積)不變,。由于存在電池內(nèi)阻損耗,,雖然這樣做可保持LED亮度不變,但將縮短電池壽命,,此外電路的復(fù)雜性也將大大提高,。總之,,這個簡單電路的LED亮度將在整個電池壽命期間變化很小,。
可以稍微調(diào)節(jié)LED串的亮度,比如設(shè)計工程師通過稍微改變R2的阻值來針對三極管和LED的制造偏差進行調(diào)節(jié),,這樣光輸出(單位:流明)可被設(shè)為固定值,。
當(dāng)電池組能量即將耗盡時,可以把發(fā)光暗淡的LED串短路,,而只連接一個LED,,這時只要電池組還有1V的剩余電壓,就可以讓這個LED發(fā)出強光,。這種單LED連接方式可以利用廢棄的電池提供最后緊急照明,。
從安全方面考慮,當(dāng)使用堿性電池時所有電池必須匹配,。當(dāng)電池組中能量最少的電池的能量完全耗盡,,而其它電池還有足夠能量對能量耗盡的電池形成反向偏壓時,將導(dǎo)致能量耗盡的電池過熱并泄漏乳狀酸液,,從而產(chǎn)生安全問題,。
為實現(xiàn)電池匹配,應(yīng)保證用同一包裝的新電池同時更換全部4個電池,。4個AA堿性電池的額定容量為4×1000mAh,,這意味著LED可以連續(xù)照明約61個小時。電路原型的測試結(jié)果表明其連續(xù)照明時間為兩天(48小時)多一點,。