帶電感的PWM調(diào)光方法

1、帶電感的PWM調(diào)光方法張光華,唐臻宇(四川大學(xué),四川成都641400摘要:介紹通過在PWM調(diào)光驅(qū)動電路中引入電感,達到平均電流的作用。從模擬和實驗角度得出了驅(qū)動電路中電感大小的確定方法,并深入分析了此驅(qū)動電路中LED上電流值和PWM波占空比之間的函數(shù)依賴關(guān)系,可由計算機通過RS-485對LED亮暗程度實現(xiàn)實時、細致的多檔位控制。關(guān)鍵詞:LED;占空比;電感;多檔位中圖分類號:TP274文獻標識碼:A文章編號:1674-7720(201119-0076-02Method of PWM dimmer with inductanceZhang Guanghua,Tang Zhenyu(Sichuan

2、 University,Chengdu641400,ChinaAbstract:This paper introduces driving circuit of digital dimmer which using inductance to smooth the current,and how to get the inductances size from simulation and experiment,also analyzes the fuction between the current of LED and the duty cycle of PWM,at last uses

3、the computer changes the degree of LED real-timly by RS-485to achive control of multi-position selective swtich.Key words:LED;duty cycle;inductance;multi-positionLED是一種固態(tài)電光源,是一種半導(dǎo)體照明器件,其電學(xué)特性具有很強的離散性。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長,便于調(diào)節(jié)控制及無污染等特征,有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。LED調(diào)光方法的實現(xiàn)分為兩種:模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光,其中模擬調(diào)光是通過改變LED回路中電流大小達到調(diào)光;

4、數(shù)字調(diào)光又稱PWM調(diào)光,通過PWM波開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流的導(dǎo)通時間以達到亮度調(diào)節(jié)的效果1。模擬調(diào)光通過改變LED回路中的電流來調(diào)節(jié)LED的亮度,缺點是在可調(diào)節(jié)的電流范圍內(nèi),可調(diào)檔位受到限制;PWM波調(diào)光可通過改變高低電平的占空比來任意改變LED的開啟時間,從而使亮度調(diào)節(jié)的檔位增多。本文擬用兩種方法共同作用,以達到調(diào)節(jié)LED亮度的效果。1LED調(diào)光方法模擬調(diào)光是通過改變LED回路中電流大小達到調(diào)光,電源電壓不變,通過改變R的電阻值來改變回路中的電流,從而達到改變LED亮度的效果2。很多其他模擬調(diào)光都是采用這種方法的延伸,其優(yōu)點是電流可連續(xù),但可調(diào)節(jié)電流的范圍往往受到硬件的限制,調(diào)節(jié)檔位

5、不多,對于要求亮度感應(yīng)敏感的高精度采光設(shè)備,這種方法不理想。數(shù)字調(diào)光又稱PWM調(diào)光,通過PWM波開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流的導(dǎo)通時間,以達到亮度調(diào)節(jié)的效果。該方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性,使負載LED時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100Hz,人眼看到的就是平均亮度,而不是LED在閃爍。PWM通過調(diào)節(jié)亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度,在一個PWM周期內(nèi),因為人眼對大于100Hz內(nèi)的光閃爍,感知的亮度是一個累積過程,即亮的時間在整個周期中所占得比例越大,人眼感覺越亮。但是對于一些高頻采樣的設(shè)備,如高頻采樣攝像頭,采樣時有可能恰好采到LED暗時的圖像。因此本文將模擬和數(shù)字相結(jié)合,設(shè)計了LED的

6、驅(qū)動電路。2采用電感的PWM調(diào)節(jié)方法2.1驅(qū)動電路電路中,當電感上通有電流時,電感會產(chǎn)生磁場,即部分電流轉(zhuǎn)換成磁能的方式“存儲”在電感中;當不再向電感上通電流時,電感會將磁能通過電流的方式在回路中釋放出來。這也是電感上電流不能突變的原因,基于電感的這種“充放電”原理,可以將它用來平均PWM波76微型機與應(yīng)用2011年第30卷第19期歡迎網(wǎng)上投稿微型機與應(yīng)用2011年第30卷第19期調(diào)光中產(chǎn)生的不連續(xù)電流。式(1、式(2分別是LR 電路的充電和放電過程及電流與時間的關(guān)系。I=I f (1-e -t /,(1I=I 0e -t /(2其中,I f 是最終穩(wěn)定電流,I 0是放電初始電流,(=L /R

7、 ,L 是電感值,R 是回路電阻是LR 電路的時間常數(shù)。圖1所示為驅(qū)動電路,電感值的選擇以及PWM 波的頻率選擇在此驅(qū)動電路中相當重要。選擇C8051330芯片作為PWM 波的輸出,采用定時器翻轉(zhuǎn)控制高低電平的時間,從而控制PWM 波的占空比。要保證PWM 周期小于電感的時間,因為若PWM 的周期大于,則極有可能出現(xiàn)在PWM 的占空比變化的情況下,電路中電流都能達到電感的飽和直流電流,影響了對LED 電流調(diào)節(jié)。當C8051330的時鐘頻率是25MHz ,PWM 的周期的選擇對電流改變檔位的影響很大。若周期越大,則PWM 占空比的檔位越多,反之越少。擬用256個檔位的占空比,因此PWM 波的頻率

8、應(yīng)選擇在100kHz 以下,即周期在10s 以上,直流電感為10,此時電感值應(yīng)選擇大于0.1mH 。圖2分別是PWM 頻率為100kHz ,占空比為90%,電感為0.1mH 、1mH 和40mH 時電路電流值的模擬結(jié)果。通過模擬可初步選擇40mH 的電感作為驅(qū)動電路所用,圖3是用示波器采到的電壓波形圖,此電壓是電路中串聯(lián)了一個20的電阻上的電壓,穩(wěn)定后電壓為340mV ,即電路中電流為17mA 。因為實際電路中電流有損耗,所以實際電流值比模擬電流值偏小,但整個電流的變化趨勢與模擬基本一致。2.2電流與PWM 占空比的關(guān)系圖4所示為LED 驅(qū)動電路充電以及放電曲線圖,I max是電路在直流情況下

9、的最大電流。設(shè)在PWM 占空比為m 時電路中的電流值在充電曲線上的t 1時刻的電流值附近波動,此時應(yīng)該滿足以下條件:t 點的充電曲線斜率為k 1,a 點處放電曲線斜率為k 2,應(yīng)有k 1mT =|k 2|(1-m T ,驅(qū)動電路中的電流因此維持在一個恒定值附近微小波動。分析可知,當啟動驅(qū)動電路后,經(jīng)過若干個充放電周期電流達到一個相對穩(wěn)定的值,之后電流在這個穩(wěn)定值附近波動。如圖5所示,對每個周期而言,充電時電流曲線的斜率在不斷下降;放電時電流曲線的斜率絕對值在不斷增加;滿足圖4的條件時,電流相對穩(wěn)定。從而得出在LR 電路時間常數(shù)一定時,電感電流隨PWM 占空比的關(guān)系為I=I f m,其中m 是P

10、WM 占空比。圖5是電感電流隨PWM 占空比變化的實驗結(jié)果曲線,該曲線是在電感值為40mH 時,電路中串聯(lián)了一個22電阻的情況下測得的。分析理論公式和實驗結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)在PWM 占空比為36%86%區(qū)間,電感上電流值隨PWM 波占空比線性變化,變化趨勢與理論推導(dǎo)一致。對于高占空比的區(qū)間段,由于充電曲線斜率已經(jīng)趨近不變,此時電流值也趨于最大值,而在低區(qū)間段,由于充電圖1驅(qū)動電路LCDLEDV5.0PWM R 1GND (b電感值為1mH 時電流隨時間關(guān)系圖2不同電感值下電流隨時間的變化27.50m 25.42m 23.33m 21.25m 19.17m 17.08m 15.00m 12.92m 1

11、0.83m 8.750m 6.667m 4.583m 2.500m50T /s I /m A35m 31m 27m 23m 19m 15m 11m 7m 3m -1m -5m I /m AT /s05010025.0m 22.5m 20.0m 17.5m 15.0m 12.5m 10.0m 7.5m 5.0m 2.5m 0m -2.5mI /m AT /ms1(a電感值為0.1mH 時電流隨時間關(guān)系(c電感值為40mH 時電流隨時間關(guān)系(d圖c 曲線局部放大圖 圖3電感值40mH 電路中串聯(lián)電阻的電壓變化圖4RL 電路充放電曲線示意圖放電曲線充電曲線123456789T /sa t 1I /m

12、 A 2520151050I max (下轉(zhuǎn)第80頁77微型機與應(yīng)用2011年第30卷第19期時間較短,電路中損耗較大,電感上電流值也趨近于零。2.3PWM 占空比調(diào)節(jié)方式采用電腦通過RS -485在線控制PWM 占空比的變化,根據(jù)需要在256個檔位中進行選擇,每次用電腦向RS-485發(fā)送兩個字節(jié)的十六進制命令,從而改變C8051產(chǎn)生的占空比,達到改變LED 亮度的目的。RS-485接口電路的主要功能是:將來自微處理器的發(fā)送信號TX 通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號,也可以將通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號通過“接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RX 信號。任一時刻,RS-485收發(fā)器只能工作在“接收

13、”或“發(fā)送”兩種模式之一。因此,采用了圖6所示電路,由微處理器輸出的R/D 信號直接控制SN75LBC184芯片的發(fā)送器/接收器使能:R/D 信號為“1”,則SN75LBC184芯片的發(fā)送器有效,接收器禁止,此時微處理器可以向SN75LBC184總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié);R/D 信號為“0”則SN75LBC184芯片的發(fā)送器禁止,接收器有效,此時微處理器可以處理來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。此電路中,任意時刻SN75LBC184芯片中的“接收器”和“發(fā)送器”只能夠有一個處于工作狀態(tài)。不論從模擬還是實驗角度來看,在PWM 調(diào)光驅(qū)動電路中加入電感,可成功將電路中大范圍變化的電流“平均”,使其穩(wěn)定在一個可

14、通過理論計算得出的值附近。本文綜合了模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光的共同優(yōu)點,且可以利用RS -485,通過PWM 波與驅(qū)動電路中LED 上電流的函數(shù)關(guān)系,改變PWM 波的占空比,即可讓LED 有著理想的電流值,并用計算機實時、細致地改變LED 的亮度。參考文獻1程安林,王晉,尚相榮.白光LED 的PWM 驅(qū)動方式分析J.電子設(shè)計工程,2010,18(2:109-111.2段哲民,陳志寅,任艷單.單端初級電感變換器拓撲的LED 的電源設(shè)計J.電源設(shè)計電力電子技術(shù),2010,44(8:95-96.(收稿日期:2011-05-13作者簡介:張光華,男,1987年生,碩士研究生,主要研究方向:測控技術(shù)。唐臻宇,

15、男,1969年生,高級工程師,主要研究方向:測控技術(shù)。圖5電感電流隨PWM 占空比變化的實驗結(jié)果曲線20406080100120PWM 占空比/%76543210I /m A圖6RS-485電路 123B AJRS485Header 3k k k (上接第77頁應(yīng)用奇葩Example of Application經(jīng)過軟硬件的調(diào)試,本系統(tǒng)的各項功能都能很好地實現(xiàn),有效保證了汽車的安全。該系統(tǒng)將單片機與SIM300功能模塊相結(jié)合,充分利用了技術(shù)成熟的GSM移動通信網(wǎng)絡(luò),克服了普通監(jiān)控系統(tǒng)中的諸多局限性。該思想還可以用于家用電器、農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)等領(lǐng)域。本方案具有節(jié)約布線資源、控制范圍廣、通用性強、性價比高等諸多優(yōu)點。參考文獻1張毅剛.MCS -51單片機應(yīng)用設(shè)計M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1990.2馬玉春,孫冰,王建明.GSM 模塊的綜合應(yīng)用研究J.計算機應(yīng)用與軟件,2008,25(2.3王騏,何嘉斌.單片機控制GSM 模塊實現(xiàn)短信收發(fā)的軟件設(shè)計J.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005(1:61-64.4張浩.SIM300編程介紹DB