LED應急照明燈驅動電路設計

標簽：LED 照明 光源

應急照明燈是一種十分重要的照明裝置，在正常供電時自動對后備蓄電池充電，在電源停電后自動切換蓄電池供電，提供應急照明功能，在高層建筑、教學樓、商場和娛樂場所等人員密集的地方得到廣泛應用。由于它涉及到建筑物發(fā)生火災時人員的安全疏散、消防應急照明和方向指示等項內容，在消防救援中扮演著十分重要的角色，甚至被人們稱作“生命之燈”。采用LED 作為應急照明的應急燈，具有壽命長、能耗低、顯色性高、易維護、體積小、點亮速度快、無頻閃，發(fā)光效率遠高于傳統(tǒng)光源，無有害金屬汞，非常環(huán)保等優(yōu)點，而成為主流產(chǎn)品。LED 應急照明燈的設計在考慮《消防應急燈具》國家標準(GB17945-2000)的前提下，主要從實現(xiàn)的功能、主要技術指標要求、應急照明電路設計、正常照明與充電控制電路設計和自動應急轉換電路設計等方面進行綜合設計。

LED 應急照明燈實現(xiàn)的主要功能如下：

(1)自動切換功能。斷電發(fā)生時，內置的控制電路在5s 內(高危險區(qū)域在0.25s 內)自動切換電源，進入應急狀態(tài)。市電恢復供電時，自動切換回充電狀態(tài)。

(2)恒流充電功能。充電時，紅色和綠色指示燈亮，充滿時，紅色指示燈熄滅，此時轉入涓流充電狀態(tài);綠色指示燈顯示主電狀態(tài)，市電正常接入即點亮。

(3)故障檢測功能。如電池保險絲斷或接觸不良，或內部控制電路不正常，內置的自檢電路將自動點亮黃色指示燈。

(4)過放電保護功能。當電池電壓放電到額定電壓的80%時，電子開關立即切斷放電回路，可確保電池的長壽命。

(5)試驗按鈕功能。在主電正常供電的條件下，按下試驗按鈕等同于切斷外部電源，用于模擬停電狀態(tài)試驗。在主電斷電的條件下按下該按鈕，可以關閉應急照明燈。

2 應急照明燈的主要技術指標:

按照國家標準(GB17945-2000)，LED 應急照明燈應該達到的主要技術指標。

(1)消防應急燈具的應急工作時間應不小于90min，且不小于燈具本身標稱的應急工作時間。

(2)消防應急燈具應設主電、充電、故障狀態(tài)指示燈。主電狀態(tài)用綠色，充電狀態(tài)用紅色，故障狀態(tài)用黃色。集中電源型消防應急燈具應設主電和應急電源狀態(tài)指示燈，主電狀態(tài)用綠色，應急狀態(tài)用紅色。主電和應急電源共用供電線路的消防應急燈具可只用紅色指示燈。

(3)消防應急燈具應有過充電保護和充電回路短路保護。消防應急燈的充電時間應不大于24h，最大連續(xù)過充電電流不應超過0.05C5A(1C 表示電池容量電流,0.05C 為0.05 倍電池容量電流;C5表示5 小時的容量放電時間)。集中電源型消防應急燈具使用免維護鉛酸電池時最大充電電流不應大于0.4 C20A。

(4)消防應急燈具應有過放電保護。電池放電終止電壓應不小于額定電壓的80%， 放電終止后，在未重新充電條件下，即使電池電壓恢復，消防應急燈具也不應重新啟動，且靜態(tài)泄放電流應不大于10-5 C5A。集中電源型消防應急燈具使用免維護鉛酸電池時最大放電電流不應大于0.6 C20A。電池放電終止電壓應不小于電池額定電壓的90%, 靜態(tài)泄放電流應不大于10-5 C20A。

(5)消防應急燈具在主電電壓為187～242V 范圍內，不應轉入應急狀態(tài)。

(6)消防應急燈具由主電狀態(tài)轉入應急狀態(tài)時的主電電壓應在132～187V 范圍內。由應急狀態(tài)恢復到主電狀態(tài)時的主電電壓應不小于187V。

(7)消防應急燈具的主電源輸入端與殼體之間的絕緣電阻應不小于50MΩ， 有絕緣要求的外部帶電端子與殼體間的絕緣電阻應不小于20 MΩ。

(8)消防應急燈具的主電源輸入端與殼體間應能耐受頻率為50Hz±1%, 電壓為1500V±10%， 歷時60s±5s 的試驗。消防應急燈具的外部帶電端子(額定電壓≤50VDC) 與殼體間應能耐受頻率為50 Hz±1%、電壓500V±10%，歷時60s±5s 的試驗。試驗期間，消防應急燈具不應發(fā)生表面飛弧和擊穿現(xiàn)象， 試驗后，消防應急燈具應能正常工作。

3 LED 伏安特性與供電要求:

按照發(fā)光顏色的不同，LED 可以分為藍光Blue(InGaN) 470nm， 綠光Green (GaP:N)550 nm， 黃光Yellow (GaP:N -N) 587 nm， 紅光Red (InGaAlP)617nm， 超紅光Super-Red (InGaAlP) 630nm， 白光LED 等產(chǎn)品。由于它們的固有特性存在差異性,所以應用時需要為其設計不同的供電電源。

3.1 標準紅光、綠光和黃光LED 的伏安特性對于5mm 直徑的標準紅光、綠光和黃光LED,其正向導通電壓(VF)與正向電流(IF)的函數(shù)曲線如圖1 所示。由圖1 可知，標準紅光、綠光和黃光LED 具有1.4～2.6V 的正向導通電壓，且正向壓降隨著正向電流的增大而增加。當正向電流低于10mA 時,正向導通電壓僅僅改變幾百毫伏。

使用LED 最簡單的方法是將一個電壓源施加到一個電阻與LED 相串連的回路，只要工作電壓保持恒定,LED 就可以發(fā)出恒定強度的光(盡管隨著環(huán)境溫度的升高光強會減小)，通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠將光強調節(jié)至所需要的強度。例如，外加5V電源， 正向工作電流為10mA 的綠光LED 應該有2V 的恒定工作電壓,那么串接電阻為R=(5 -VF)/10mA = 300Ω

3.2 藍光和白光LED 的伏安特性

藍光(InGaN)LED 的顯示波長(色彩)會隨著正向電流的變化而改變，如圖2 所示。藍光LED 的正向伏安特性是圖3 眾多曲線之一。

當工作電流在4～10mA 范圍時，其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=2.6mA/0.1V;

當工作電流在10mA 以上時，其正向電流/電壓變化率為ΔI/ΔV=3.3mA/0.1V。真正發(fā)射白光的LED 是不存在的， 因為LED的特點是只發(fā)射一個波長的光線。為此， 在白光LED 設計中，采用了在發(fā)射藍光InGaN 基料上覆蓋轉換材料,這種材料在受到藍光激勵時會發(fā)出黃光，于是得到了藍光和黃光的混合物, 在肉眼看來就是白色的。一組隨機挑選的白光LED 的電流-電壓曲線如圖3 所示。

由圖3 可知，白光LED 要求高于3V 的電壓驅動， 正向電流為10mA 時, 正向電壓的范圍為3.5～3.8V。直接用電池驅動白光LED 是很困難的,因為絕大數(shù)電池會隨著放電使電壓低于LED 所需要的最小正向導通電壓而截止。鋰電池在完全充滿電時可以提供4.2V 的輸出電壓,在很短的一段工作時間內會下降到標稱3.5V 電壓，隨著電池放電,其輸出電壓會進一步下降到3.0V，可以滿足直接驅動照明LED 的供電要求。

對于這些白光LED，施加3.3V 電壓(圖3 右虛線) 會產(chǎn)生2～5mA 的正向電流, 導致不同亮度的白光。許多便攜式或采用電池供電的設備使用白光LED 作為背光，例如PDA 彩色顯示器需要白色背景光，要求恢復色彩與原物接近。在這些白光照明要求較高的應用中，單個白光LED 的照明亮度是不夠的,需要同時點亮幾只白光LED， 但必須采用特定的供電方式，以確保它們的強度和色彩一致,即使在電池放電或其它條件變化時也應如此， 所以一般采用帶有電流控制的電荷泵作為白光LED 的供電電源，它能提供一個足夠高的輸出電壓, 并且在并聯(lián)連接的LED 上加載同樣的電流。如Maxim 提供帶有電流控制的電荷泵(采用MAX1912 芯片)，可以同時并聯(lián)驅動3 個以上的白光LED,輸出電流可達60mA。

4 LED 應急照明燈控制電路設計:

4.1 變壓、整流與濾波電路設計

在正常情況下一般由AC220V 市電供電，為此設計了變壓、整流、濾波電路，如圖4 所示。其作用是：AC220V 經(jīng)變壓器T1 降壓為AC8V 電壓，經(jīng)D1～D4 橋式整流和C1 濾波后，得到直流電壓，供給充電電路和其它電路使用。

4.2 狀態(tài)指示電路設計

本應急照明燈主要有主電供電狀態(tài)、充電工作狀態(tài)和電路故障狀態(tài)3 種工作狀態(tài)，分別用標準的綠光LED、紅光LED 和黃光LED 來指示，根據(jù)控制要求設計了主電指示、充電指示、故障指示電路和工作狀態(tài)檢測電路，如圖5 所示。

(1)主電供電狀態(tài)。當接通主電電源后，經(jīng)降壓、整流和濾波后得到的直流電壓， 經(jīng)過R1、Rx、D10 限流后，使主電指示燈D10(綠)亮，D10 正向導通電壓為2V， 正常顯示電流10～20mA; 主電斷電后，主電指示燈D10 熄滅。

(2)充電工作狀態(tài)。剛開始充電時，充電電池電壓較低，Q4 截止， 整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R1、R9、D11 限流后，使充電指示燈D11(紅)亮,D11 正向導通電壓為1.8V，正常顯示電流10～20mA;當電池電壓升高到一定值時，導致D7 截止，并經(jīng)R8→R10→Q4(9013)通路，使Q4 導通，從而使紅燈D11熄滅。

(3)電路故障狀態(tài)。在主電供電的情況下，當電池失效或者與之串聯(lián)的保險管熔斷后，施加的直流電壓高于6.8V 使穩(wěn)壓管D9 工作，再經(jīng)過R12 使故障燈D12(黃)亮,D12 正向導通電壓為2V，正常顯示電流10～20mA。當主電斷電后，故障燈D12 熄滅。

4.3 應急轉換電路設計

當主電正常供電時，整流、濾波后的直流電壓經(jīng)R8、D7 限流后，給電池BT 充電;同時，該真流電壓經(jīng)R1、R3，對C2 充電，為應急轉換做好準備，并使Q1 導通，但由于C 點電位高于A 點電位，而使D5 和Q2 截止。

當主電由供電轉為斷電時，C2 上的充電壓使Q1 繼續(xù)保持導通狀態(tài)，C 點由高電位轉為低電位，使D5 和Q2 導通， 充電電池向LED 應急照明電路供電。選擇蓄電池容量為3.6V/300mAh，在LED 照明電路電流小于等于200mA 的情況下， 確保LED應急照明工作時間不小于90min。在主電正常供電的情況下，閉合試驗按鈕SB，則模擬主電斷電而進入應急照明狀態(tài)，打開試驗按鈕恢復主電供電狀態(tài)。

根據(jù)上述控制要求，設計的應急照明燈的應急轉換電路，如圖6 所示。

4.4 LED 應急照明電路

該應急照明燈的應急照明功能是由白光LED來實現(xiàn)的， 由于單只白光LED 的發(fā)光亮度有限，不能滿足實際要求而使用了多只LED，設計的控制電路如圖7 所示。為了照明光線的均勻性，將應急照明電路做成2 塊板，分布在底座的兩邊，每塊應急照明板上均安裝了4 只白光LED，每只LED 的正向導通電壓為3V 左右， 正向工作電流范圍為10～30mA。同時，為了避免LED 正向導通電壓的離散性而導致功率消耗不均衡的問題，每只LED 串聯(lián)一只電阻后再并聯(lián)使用。在本設計中共使用了8 路白光LED 電路，總的工作電流不能超過200mA，即每個LED 回路的工作電流不能超過25mA， 以保證應急工作時間不小于90min。

5 結論:

隨著LED 技術的不斷發(fā)展和成本的下降，LED在應急照明及日常生活中將扮演越來越重要的角色。在開發(fā)設計應急照明燈的控制電路時，要根據(jù)國家有關標準要求，充分考慮各種光譜LED 的電光特點，從高效率、高可靠的角度出發(fā)完成LED 驅動電路設計，是保證LED 得到廣泛應用的基礎。