利用晶体管工作在线性放大区时的恒流特性,可以构成恒流的LED驱动电路,其原理是通过稳定晶体管基极的电压来达到稳定基极电流的目的,从而控制集电极输出电流恒定。然而晶体管发射极的正向电压降具有负温度特性,当晶体管结温升高时,发射极的正向电压降大约按2mV/℃下降,同时晶体管的放大倍数也会变大,这样就会造成设定的恒流值会上升。因此使用晶体管作为恒流源时,要采取相应的温度补偿措施,这就使得原本很简单的电路变得复杂,成本也相应增加。利用晶体管构成稳压电路同样也有温度漂移的问题,为了解决这一问题,人们早已开发出包含温度补偿功能的集成线性稳压器,其内部包含了低温漂的高精度基准电压源,使得用作比较的参考电压十分精准稳定,从而提高了稳压器输出电压稳定度。利用这些集成稳压器可以构成精度很高的恒流电路。
LM317是一种可调的集成三端稳压器,该芯片最初是由美国国家半导体公司生产的,由于性能稳定,使用非常广泛,现在许多厂商都可以生产了。LM317内部结构如图2-30所示,其主要包括:①一个功率开关管,为NPN型晶体管;②一个电压参考模块,它提供1.25V参考电压;③一个控制功率开关的运算放大器,该运算放大器使输出电压等于调整引脚(ADJ)的电压与参考电压的差。
LM317内部恒流源和稳压二极管向运算放大器的同相输入端提供低温漂、高精度的参考电压,该参考电压为1.25V。LM317的输出端把输出电压反馈到运放的反相输入端,当输出端电压与调整端的电压差小于1.25V时,运放输出高电平,功率晶体管导通并处于线性放大状态,输出电压上升,直到输出端电压比调整端电压高出1.25V时,运放输出低电平,晶体管截止,因此,输出端电压被稳定在此状态下。典型的LM317稳压电路中包含由 R 1 、 R 2 构成的分压电路,调整端的参考电压为1.25V,只要调整 R 1 、 R 2 的比例,就可以控制输出电压的大小。
图2-30 LM317调压器
输出电压可通过式(2-7)计算
这里忽略了由LM317的ADJ引脚拉出的微小电流在 R 2 上产生的电压降。
LM317集成三端稳压器的派生器件包括正固定电压输出模块(LM78XX)和负电压输出模块(LM79XX),XX表示输出电压,如LM7805为输出+5V电压和1A电流的电压调节器。
在图2-30所示电路的基础上稍做修改,就可以构成驱动LED的恒流电路,如图2-31所示。
图2-31 使用LM317构成的LED恒流电路
如前所述,当LM317的OUT引脚与ADJ引脚的电压差为1.25V时,LM317就能实现稳定电压功能。在图2-31所示的电路中,OUT引脚与ADJ引脚间接有电流检测电阻 R 。流过 R 的电流将产生电压降,使OUT引脚的电压高于ADJ引脚,当这个压差达到1.25V时,LM317的内部功率开关管就关断,因此输出电流不会继续上升,而是会维持在使 R 的电压降为1.25V的水平上,从而实现稳定电流的功能。因而电流限制值可以用式(2-8)计算。
如图2-31所示,若LED串总电压为3.2V×8=25.6V,LED限流为350mA,则计算得 R 为3.57Ω,电池电压为最低值30V时,LM317及电阻 R 的总电压降为30V-25.6V=4.4V,功耗为4.4V×0.35A=1.54W,电路的效率为[(30V×0.35A)-1.54W]/(30V×0.35A)=85%。同理,当电池电压达到电高40V时,LM317及电阻 R 的电压降为40V-25.6V=14.4V可算得电路的效率为(25.6V/40V)×100%=64%。由此可见,当输入电压与LED工作电压相差较大时,线性稳压器构成的恒流电路损耗较大。但由于采用线性集成稳压器作为线性恒流源时恒流效果极好,在最低电压到最高电压的整个范围内,其电流值几乎不变,这是电阻限流方式绝对做不到的,也是开关型LED驱动电路很难实现的,故在输入电压波动不大的场合是一种最佳的选择。
LM317及其派生的三端稳压器正常工作是有条件的,即输入、输出之间需要维持一定的电压差,这个电压差取决于流过电压调节器的电流(电流越大要求的电压差越大),其典型值为1~3V。如果这个压差相对于输出电压而言占的比例较高,那么在稳压器上损耗的功率也占了很大的一部分,因此,在低压应用时,为了提高效率,应该选用低压差的线性稳压器。
三端稳压器构成的线性恒流电路具有恒流精度高、稳定性好、不会产生干扰、电磁兼容性好、电路简单等优点,且技术成熟,从商用角度看其成本较低,是开关电源无法比拟的,因此在条件允许的前提下,应尽量选用线性恒流电路作为LED驱动,而不是开关电源。使用线性电源来驱动LED也存在一些缺点和局限性,例如在一些应用中,线性电源的效率过低,不仅浪费,而且还会因散热问题而增加成本。还有一些应用中,比如使用交流电网供电时,线性电源显得体积太大,以及线性电源只能用于降压电路,允许的输入电压范围较小。相比之下,采用开关电源变换器设计的恒流电源则具有体积小、效率高、输入电压范围宽、可升压也可降压等优点,因此采用哪种电路应根据不同应用进行选择。