54顆LED帕燈為例的舞臺燈光的控制原理解析及設(shè)計(jì)

舞臺燈光經(jīng)歷了幾代的發(fā)展，已經(jīng)由傳統(tǒng)的高電壓高能耗驅(qū)動(dòng)型帕燈發(fā)展成了低電壓低能耗的LED燈。以下以54顆LED帕燈為例簡略介紹舞臺燈光的控制原理及簡易制作。

圖1 54顆LED帕燈的燈珠排布

從圖1中可知，這種LED帕燈共有4中顏色的LED，分別為紅色、藍(lán)色、綠色和白色。光的疊加規(guī)律是紅光+綠光為黃光，綠光+藍(lán)光為青光，紅光+藍(lán)光為品紅光，紅光+綠光+藍(lán)光為白光。所以在不考慮各色LED的亮度的前提下，這種組合的LED帕燈一共可以發(fā)出紅色、綠色、藍(lán)色、品紅、黃色、青色、白色7種顏色的光。

常見的LED帕燈所使用的LED是10mm直徑的直插式LED，但我實(shí)驗(yàn)的時(shí)候手頭只有3mm直插的藍(lán)色led，二者性能上的差別后文再論。

驅(qū)動(dòng)方面主要是采用恒流驅(qū)動(dòng)的方式。因?yàn)槿绻呛銐候?qū)動(dòng)的話需要加限流電阻，這樣效率會大大降低。因此驅(qū)動(dòng)方面主要是做一個(gè)符合要求的電流源。

我首先采用運(yùn)算放大器的方法做了嘗試。選用的運(yùn)放是OP07，使用OP07構(gòu)成電壓跟隨器，負(fù)載(LED)接入反饋環(huán)內(nèi)，實(shí)測過程中發(fā)現(xiàn)電流大于24mA以后，運(yùn)放的同相端與反相端電壓值不一致，當(dāng)輸出電流達(dá)到30多個(gè)毫安的時(shí)候，反相端電壓已經(jīng)接近于零，同時(shí)輸出電流也不再上升。

實(shí)測過程輸出電流最大可以達(dá)到35mA，led兩端的電壓為3.35V，可得單個(gè)led的功率為115mW。乘以54以后，LED總的功率為6.2W。

之后我又嘗試了采用三極管構(gòu)成電流源的方案，如圖2所示。

圖中3V電源主要起控制作用，選用低電壓控制主要是為了提高電源效率。圖中采用電阻分壓的方法為三極管提供基極電壓，并在發(fā)射極產(chǎn)生電流，Ie=Vb/Re，且Ie=Ic。Ic則是用來驅(qū)動(dòng)LED的電流。實(shí)驗(yàn)中，Ic可達(dá)到60多個(gè)毫安，大于70mA后，電流會自動(dòng)緩慢上升，分析應(yīng)該與LED發(fā)熱無關(guān)，可能是因?yàn)槿龢O管發(fā)熱產(chǎn)生了漂移，造成結(jié)電阻減小，導(dǎo)致電流不斷增大。在實(shí)驗(yàn)中，我曾將電流增大至100mA，觀察發(fā)現(xiàn)led并沒有立即損壞，而是每亮一段時(shí)間就會熄滅一下，然后再亮，幾次以后led才被徹底燒壞。

以前用led主要是作為指示燈使用。一般都是只用一兩支而已，這種情況，用5V電源是足以搞定的。但led數(shù)量增多后，考慮到一個(gè)一個(gè)地去控制既費(fèi)工又費(fèi)料。

所以就得幾個(gè)led串聯(lián)起來使用。這里每6支l同樣顏色的ed作為一組，一共分成了九組。這時(shí)再用5V電源驅(qū)動(dòng)顯然是玩不轉(zhuǎn)的，因?yàn)?個(gè)led串聯(lián)，總的壓降已經(jīng)十分可觀。

圖3 4種顏色led串聯(lián)發(fā)光效果

圖4 4種顏色led串聯(lián)的電流與電壓值

我用兩個(gè)藍(lán)光led和一個(gè)紅光led的代價(jià)總結(jié)了以下經(jīng)驗(yàn)：

6個(gè)綠光led串聯(lián)時(shí)，電流為63.6mA時(shí)，總壓降20.2V，平均每個(gè)led兩端電壓為3.33V;

單個(gè)藍(lán)光led流過電流為46.1mA時(shí)，U=3.6V;

單個(gè)紅光led流過電流大于90mA時(shí)，led燒壞，小于90mA時(shí)壓降為2.1V左右

單個(gè)白光led流過電流71.4mA時(shí)，U=3.37V。

應(yīng)該說，當(dāng)電流大于40mA以后，led亮度的變化已經(jīng)不是很明顯，說明多余的電流被用于使led發(fā)熱，而led溫度過熱會嚴(yán)重影響其壽命，所以這里將其工作電流暫定為35mA(每組)。

下面是整個(gè)led驅(qū)動(dòng)部分的電路圖。

圖5 驅(qū)動(dòng)部分(電流源)電路圖

圖6 驅(qū)動(dòng)部分PCB板圖

(未完)

電路調(diào)試時(shí)由于手頭只有15V和30V的電源，所以先用了30V的電源。亮是亮，不過三極管熱的厲害，工作2分鐘左右管殼已經(jīng)有了糊味;之后又試驗(yàn)了15V的電源，結(jié)果是除了紅色燈全部點(diǎn)亮，其他燈都不能正常工作。

分析三極管過熱的原因可能是電流過大，也可能是Vce過大。所以接下來將開始電源的設(shè)計(jì)與制作部分。

這里對電源的要求是具有24V和5V的輸出電壓，輸出功率應(yīng)不小于5W，現(xiàn)在暫時(shí)不予詳細(xì)論述，因?yàn)閷⒁_始下一階段的功能，即燈光的控制部分。

這里主要用到的是濾波和信號處理的理論。