54颗LED帕灯为例的舞台灯光的控制原理解析及设计

舞台灯光经历了几代的发展，已经由传统的高电压高能耗驱动型帕灯发展成了低电压低能耗的LED灯。以下以54颗LED帕灯为例简略介绍舞台灯光的控制原理及简易制作。

图1 54颗LED帕灯的灯珠排布

从图1中可知，这种LED帕灯共有4中颜色的LED，分别为红色、蓝色、绿色和白色。光的叠加规律是红光+绿光为黄光，绿光+蓝光为青光，红光+蓝光为品红光，红光+绿光+蓝光为白光。所以在不考虑各色LED的亮度的前提下，这种组合的LED帕灯一共可以发出红色、绿色、蓝色、品红、黄色、青色、白色7种颜色的光。

常见的LED帕灯所使用的LED是10mm直径的直插式LED，但我实验的时候手头只有3mm直插的蓝色led，二者性能上的差别后文再论。

驱动方面主要是采用恒流驱动的方式。因为如果是恒压驱动的话需要加限流电阻，这样效率会大大降低。因此驱动方面主要是做一个符合要求的电流源。

我首先采用运算放大器的方法做了尝试。选用的运放是OP07，使用OP07构成电压跟随器，负载(LED)接入反馈环内，实测过程中发现电流大于24mA以后，运放的同相端与反相端电压值不一致，当输出电流达到30多个毫安的时候，反相端电压已经接近于零，同时输出电流也不再上升。

实测过程输出电流最大可以达到35mA，led两端的电压为3.35V，可得单个led的功率为115mW。乘以54以后，LED总的功率为6.2W。

之后我又尝试了采用三极管构成电流源的方案，如图2所示。

图中3V电源主要起控制作用，选用低电压控制主要是为了提高电源效率。图中采用电阻分压的方法为三极管提供基极电压，并在发射极产生电流，Ie=Vb/Re，且Ie=Ic。Ic则是用来驱动LED的电流。实验中，Ic可达到60多个毫安，大于70mA后，电流会自动缓慢上升，分析应该与LED发热无关，可能是因为三极管发热产生了漂移，造成结电阻减小，导致电流不断增大。在实验中，我曾将电流增大至100mA，观察发现led并没有立即损坏，而是每亮一段时间就会熄灭一下，然后再亮，几次以后led才被彻底烧坏。

以前用led主要是作为指示灯使用。一般都是只用一两支而已，这种情况，用5V电源是足以搞定的。但led数量增多后，考虑到一个一个地去控制既费工又费料。

所以就得几个led串联起来使用。这里每6支l同样颜色的ed作为一组，一共分成了九组。这时再用5V电源驱动显然是玩不转的，因为6个led串联，总的压降已经十分可观。

图3 4种颜色led串联发光效果

图4 4种颜色led串联的电流与电压值

我用两个蓝光led和一个红光led的代价总结了以下经验：

6个绿光led串联时，电流为63.6mA时，总压降20.2V，平均每个led两端电压为3.33V;

单个蓝光led流过电流为46.1mA时，U=3.6V;

单个红光led流过电流大于90mA时，led烧坏，小于90mA时压降为2.1V左右

单个白光led流过电流71.4mA时，U=3.37V。

应该说，当电流大于40mA以后，led亮度的变化已经不是很明显，说明多余的电流被用于使led发热，而led温度过热会严重影响其寿命，所以这里将其工作电流暂定为35mA(每组)。

下面是整个led驱动部分的电路图。

图5 驱动部分(电流源)电路图

图6 驱动部分PCB板图

(未完)

电路调试时由于手头只有15V和30V的电源，所以先用了30V的电源。亮是亮，不过三极管热的厉害，工作2分钟左右管壳已经有了糊味;之后又试验了15V的电源，结果是除了红色灯全部点亮，其他灯都不能正常工作。

分析三极管过热的原因可能是电流过大，也可能是Vce过大。所以接下来将开始电源的设计与制作部分。

这里对电源的要求是具有24V和5V的输出电压，输出功率应不小于5W，现在暂时不予详细论述，因为将要开始下一阶段的功能，即灯光的控制部分。

这里主要用到的是滤波和信号处理的理论。