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[照明]分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效 [复制链接]

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离线lemontreenm
 

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— 本帖被 青柠 设置为精华,作者+3000M币+5专家(2017-03-06) —
和坛友们一样,手上各种LED,有的时候也会折腾下。
但是大部分时候是在购买的成品上改造。之前用的LED横流方式基本就是成品横流驱动(220V电源的灯基本都是)和电阻限流横流(5V USB小灯等)。

由于之前自己做过一个单锂电LED灯,只是简单的用了一个电阻限流,后来使用中发现随着电池放电电压降低之后LED的亮度很快就暗下来了,效果不理想。
由此引发了关于单锂电LED横流驱动的思考。当然,前提是手上没有专用的单锂电LED驱动芯片,所以想用简单的常用的元件组成一个横流驱动。
最后得出了这个“分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路”
分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效

左边电路图适用于NPN型三极管,右边电路图适用于PNP型三极管。
全部元件都很常见的,坛友手上应该都有。1个三极管(NPN或者PNP都行),1个TL431(理论上小于3V的稳压管都行),2个电阻。
横流原理是:
利用TL431获得一个稳定的2.5V电压,由此电压通过电阻R1对三极管基极放电。因为TL431两端的电压稳定,不会受到锂电池电压变化的影响,所以流经三极管基极的电流是稳定的。由三极管的基本知识可知,三极管有电流放大作用,即集电极电流是基极电流的β倍。由此可知在集电极接LED,通过LED的电流受到三极管基极电流的控制,当三极管基极电流恒定时由此可达到驱动LED稳定发光的效果。


注意事项:
1.TL431理论上可以用任何0.7~3V的稳压管代替,但是换用其他型号稳压管会使稳压/横流精度下降所以不建议更换,而且不同型号稳压管代替之后R1、R2需要做相应的改变。
2.因为不同型号、不同批次的三极管的电流放大倍数差异巨大,所以R1的大小需要经过试验获得,建议阻值由大到小进行试验或者用可调电阻以获得最合适的阻值。我试验的时候接的1W灯珠、三极管是NPN型的NEC D882、电压忘了,万用表测得Vbe=0.703V,第一次试用用了1K电阻,基极电流1.8ma集电极电流166ma,测得放大倍数大约是92。后选用了560R电阻,实测集电极电流达到280ma。

3.R2需要根据R1的阻值计算。稳压管选用TL431的情况下,计算公式为
   R2=0.5/(0.0015+(2.5-Vbe)/R1)
   应坛友的要求解释下这个计算公司的含义:
R2的阻值要求在设计的最低供电电压下能够保证稳压管正常稳压,此时会有一个稳定的电流通过R1驱动三极管基极。
此处我设计要求的最低供电电压是3V
2.5的含义是:TL431的稳压电压2.5V
0.5的含义是:最低供电电压是3V时加载在R2上的电压=3V-2.5V(TL431的稳压电压)=0.5V
0.0015的含义是:TL431正常工作时需要的最小工作电流约1.5ma,即0.0015A(貌似要求是1ma还是1.25ma忘记了,我直接取了1.5ma,大家别纠结这么点细节)

4.应用此电路时建议把开关放到R2一侧以达到小电流控制大电流的目的,切断R2使稳压管无法工作、三极管基极无法获取到稳定的驱动电流使三极管进入关闭状态。由于锂电池的电压较低,如果开关放在主线上,一旦开关触点老化、生锈导致接触电阻变大会影响整个电路稳定性。

此电路构思成型之后,我通过搭棚、连接可调电源的方法做过试验,试验的结果是:
1.三极管的电流放大倍数β并不是一个恒定值,随基极电流变化、集电极电压变化会有所改变。最终导致的结果是可调电源电压(即锂电池电压)从4.2V降低到3.4V过程中集电极电流从308ma降低到273ma,由此可见此电路并非完全横流,不过电流变化较小,在实际使用过程中几乎感受不到亮度变化。这也是我称他为“准横流”的原因。
2.电压降低到3.3V以下之后驱动电流明显变小,LED灯光明显减弱。个人认为这是个意外的惊喜,因为大多数锂电池在3.3V以下放出的电量都很有限了,或者说大部分电量都在3.3V以上,3.3V以下灯光明显减弱可以让人知道需要充电了,这样能有效保护电池防止过放。

具体的实验贴文在这里,前两天女朋友让我修她坏了的LED充电式台灯,详见帖子:拆修LED充电台灯,改锂电,改简易恒流驱动



这个帖子发了一个多星期之后发现已经引起了大家的广泛关注。其中也有一些坛友拍砖,在这里我对一些情况做下解释。
我欢迎大家讨论、优化这个电路,我说的不对的地方也欢迎大家指出。但是我不希望因为一些坛友毫无根据或者他们所说的根据本身就有问题的情况下来轻易否定我。

1.有坛友问我,和7135比,哪个更好?
   这个毫无疑问是7135之类的横流驱动芯片更好。
   这个电路的作用是在手上没有横流驱动芯片的时候可以用比较简单易得的元件搭建效果还算不错的单锂电准横流驱动电路。

2.有坛友问,为嘛建议开关放在旁路而不是主线上?
   因为实际使用中开关都会有接触电阻,而且接触电阻并不稳定。特别是用的时间长了之后开关的接触电阻可以达到1欧甚至更大。如果开关放在主线当电流是300ma时,开关上的接触电阻压降是0.3V以上,对于锂电池这种满电才4.2V的低压电源影响很大。甚至有些时候会感觉灯会无规律得闪,这就是接触电阻搞的。如果开关放到旁路,也就是稳压管那边,而不是在主线上,那就几乎没影响了,因为有稳压管的稳压作用。
   这也是亲身体验的结果。

3.第88楼的坛友指出我的电路并非横流,12V电压下会烧坏LED,4.2V 280ma的LED长什么样子等问题,说我会误导新手。我的回答如下:
   关于非横流:我标题到帖子里一直都写的是“准横流”、“准横流”、“准横流”,只是电流变化小而不是没变化,重要的事情说三遍。其他坛友也别拿这点攻击我。88楼坛友引用的那句话是我说的“基极电流恒定”,这完全没有错误,基极电流是恒定的。但是连接LED的是集电极,集电极电流是基本不变,而不是恒定。基极和集电极别搞混。
   关于12V电压下会烧坏LED:我一直说的就是单锂电、单锂电、单锂电,什么锂电池单节有12V?我文化少,没听说过,更没见过,你不要骗我,也不要骗坛友。
   关于4.2V 280ma的LED:我从来就没说过有这样的LED。别赖我头上来。
   以下是88楼的截图,以此为证:
分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效

4.第90楼用户说我的电路根本不横流,我觉得他的意思是连准横流也算不上。说我的电路受三极管放大倍数影响,受温度影响,应该固定基极电压和发射级加电阻,说我误导人等等
   我只想问问这位坛友到底有没有看清楚我的帖子?
   我帖子里面很清楚的说了三极管放大倍数的问题和怎么解决这个问题(就是R1需要试验来确定阻值),怎么还能拿来攻击我?这算是为了攻击我而攻击我吗?
   至于温度,我想他说的是使用中会有温升,导致放大倍数变化。这个很好解决,确定原理图之后实际搭建电路之前中间有个步骤叫“选型”,就是根据所使用的环境来确定电路中所用元件的参数和指标。找个合适的耗散功率足够大的三极管就可以解决问题。90楼坛友自己不懂选型不能怪我吧?
   至于固定基极电压和发射级加电阻:这种方式的效果远远不如我电路里所使用的恒压源+固定基极电压的方式。效果比这个电路差十万八千里的电路也拿出来当砖头拍我吗?好像不合适吧!!!如果有坛友不信的话可以自己分析下、仿真下、搭电路试验下。
  惯例,截图为证:
分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效


5.有坛友说不如PWM驱动电路效率高等等。我只能呵呵了。
   在这里我想的深一点,坛友所说的PWM调光可能有3种形式,利弊我都写出来,大家来评论我说的对不对:
A.类似于坛友常撸的特价灯里面那种带PWM驱动的横流电路,实际上就是DC-DC电路。这种驱动方式要求输入输出有一定的压差,在单锂电供电时因为压差不够完全没法用。
B.锂电池直接PWM给LED供电,就是只靠占空比控制亮度。当锂电池电压高于LED正常电压是瞬间电流会远远超过LED的最大限制电流,因为没限流,造成的结果就是LED发热严重,而且很快光衰。而且PWM调光由于是间歇发光实际上就在闪,对眼睛是很不利的(这点不做讨论哈,当我没说)。说PWM驱动LED效率高也纯粹是扯淡,没有外围限流电路并不意味着能量损耗就小,只是原本应该耗散在外围电路上的能量在LED上变成了热量,发热的地方变了而已。
C.锂电池+限流电阻/限流电路+PWM调光。如果是限流电路,和我这个有什么区别,还会闪。如果是限流电阻,在锂电池电压下降的时候亮度下降很厉害。效率上来说同上B。
总结起来就是在单锂电驱动LED的应用中PWM要么没法用要么还不如不用,总之没用!

6.第92楼坛友说他的电路不比我的复杂多大,而且能在3V时工作。
   复杂不复杂坛友们自己看。我觉得却有可取之处。不过可以肯定那个电路的调试和匹配会很麻烦。
   至于3V时工作,我用来驱动白光LED的,大多数白光LED的正常工作电压都在3V以上,我的这颗LED就在3.15V左右我想知道怎么用3V驱动?这不科学,原理上就解释不通。
  我的电路在3.3V以下电流急剧下降最主要原因还是LED得正常工作电压就在那个附近了,这也是大部分白光LED的实际情况。
   分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效

7.第107楼,说我的电路完全不能横流。我要严重抗议这位坛友,明明是你仿真的时候弄错参数,还到处毁坏我的名誉!!!简直气死我了!
   我在帖子里说的很清楚了,R2阻值是要计算的,不是随便拿个电阻就可以用的。你R2用1K明显阻值太大了。你换个150R试试就知道了。
   R2=0.5/(0.0015+(2.5-Vbe)/R1)
   麻烦这位坛友按照我的说明计算R2之后,或者你R2直接取个150R,再仿真一次看看再来信誓旦旦的说我的电路不好!!!
   分立元件制作的单锂电LED最理想简易准恒流电路,原创出品,亲测有效







[ 此帖被lemontreenm在2017-03-12 13:19重新编辑 ]
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newnet1234 M币 +30 謝謝分享,线性恒流,至简至臻,无频闪。 05-05
qagainc M币 +1 優秀文章 05-04
bandler M币 +15 謝謝分享 04-06
ccser M币 +15 謝謝分享 04-04
wuren M币 +5 我刚看了他的帖子,你们争论的这个问题挺好,我也对恒流电路很好奇,谢谢分享 03-21
girlstorm M币 +22 精彩回帖 03-19
zty615 M币 +16 都支持,技术就是要讨论,我的帖子还没这么多人讨论呢,你看下我的精华,也是模电 03-18
lbx7272 M币 +4 - 03-12
林桥水mp4 M币 +1 原創內容 03-11
ttwing M币 +1 简单方便值得学习 03-09
关键词: TL431恒流
离线素食猫

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开关不放在主线,不知关断后有否漏电流?是多少?
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vviya M币 +3 对于4.2V来说这个可以忽略到0 03-09
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回 今朝拆哪 的帖子
今朝拆哪:开关不放在主线,不知关断后有否漏电流?是多少? (2017-03-04 02:03) 回 今朝拆哪 的帖子

完全没有漏电。
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就厉害了,就厉害了
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类似电路都是尽可能降低稳压值减少限流电阻功耗,所以这个效率应该略低点吧?
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431用一个普通的LED代替,或用2个二极管代替。

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不行,LED或者普通二极管的导通压降并不稳定,而这里要求稳定的压差,所以必须用稳压管,最好是TL431

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电池电压低了没指示,正好看LED暗了就充电

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是的,刚好是这样

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M币就是加给你这种的,有技术含量,有细节分析,能秀一下女朋友就更好了。
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