干货|可编程恒流驱动助力分光光度测量更精确更稳定
发布时间:2021-02-10 11:13:25

  在各类水质监测设备中,经常需要用到各种波长的LED进行吸光度的测量。在这个过程中,测量的精度和重复性跟许多因素有关,其中最重要的一个因素是LED的光通量,而LED的光通量往往跟其驱动方式相关。为了保证在设备的整个生命周期内LED的光通量能够恒定不变,往往采用恒流驱动LED以及光通量补偿等方法。恒流驱动LED方式由于其方法简单,电路形式容易实现等优点而被广泛采用。

  什么是恒流驱动LED?顾名思义,恒流驱动就是以恒定的电流进行驱动,确保流过LED两端的电流保持不变,并且几乎不会受到外部因素的影响。LED属于电流型器件,当有电流流过时,LED内部的特殊材料会通过电子迁移的方式把这个电流转化为光子辐射出去。辐射的光子量跟流过LED的电流成正比,因此要想保证LED的光通量恒定,只要对LED进行恒流驱动即可。

  如何才能实现恒流驱动LED?先来看看最简单最常见的LED驱动电路,如下图。

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  R1起到限流作用,一般的,LED导通时的管压降大概在1.2V~2.2V范围,这个需要根据LED手册来定。如果我们想要让10mA的电流流过LED,那么R1的取值范围大概可以这么估算出来:R1=(5-2.2)/0.01 ~ (5-1.2)/0.01 =240~380ω。我们都知道,LED的管压降具有明显的温度特性,而且是负温度特性,也就是说随着LED长时间工作,内部产生的热量使得其温度升高,加上周围环境温度的影响,管压降将会变得更小。因此这个电路中,一旦R1取值固定,随着工作时间的推移,流过LED的电流会慢慢的变大,导致LED的光通量在整个设备的工作过程中产生变化,继而影响到设备的测量精度和稳定性。这个电路,只能用来驱动指示用途的LED,并不能用来驱动分光光度的光源。为了解决上述提到的问题,尽量消除LED温度特性影响,确保LED的电流和光通量恒定,分光光度的光源一般采用如下图的恒流驱动方式。

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  为了达到恒流目的,此驱动电路采用了运算放大器进行负反馈处理,实时采样流过LED的电流参与闭环调节。其中,R1和R2的作用是对VCC进行分压获取参考电压,Rs的作用是进行电流采样,流过LED的电流可以根据下面的公式来计算:

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  在实际应用中,R2可以采用可调电位器,目的是为了方便调节流过LED的电流。比如,R1=10K,R2=2K,Vcc=12V,Rs=200ω时,流过LED的电流等于10mA。通过上述电路的处理,可以保证LED处于恒流驱动状态。这要非常感谢运放和三极管的参与,因为运放的负反馈作用,使得每时每刻流过LED的电流所发生的微小变化能够察觉出来并立刻对三极管的线性工作状态进行调节,确保10mA恒定可靠的长时间流过LED,同时也消除了LED管压降的结温以及环境温度的影响。

  目前大部分水质在线监测设备的光源驱动电路都采用上述形式的驱动电路。

  但是上述的恒流驱动电路仍然存在以下几个缺点:

  1、 电流的调节非常不方便,并且不能做到实时连续的调节。一旦确定了所需电流值,R1和R2的阻值也就确定下来,如果下次想改变电流值,需要人为手动的进行电位器调节,这是非常麻烦和令人头痛的。

  2、 恒流精度受到影响。恒流的精度除了跟采样电阻Rs的精度相关之外,还跟R1和R2的精度相关。况且,R2通常是可调电位器,在手动调节的情况下,电阻值的精度难免会受到极大的影响,即使Rs取了0.1%精度级别的精密电阻,上述电路的恒流精度也达不到这么高的精度级别。粗略估算,上述电路的恒流精度能达到2%就非常不错了。

  3、 高端负载引起干扰。上述电路中,LED是串联在电源和三极管之间的,这种接法称之为高端负载。高端负载相比于低端负载,具有浮地性质,现实情况中,LED的引线通常会比较长,大约1m长的引线,这么长的引线,对于高端负载而言,是极易受到外部电磁干扰的,无形中给设备带来了不稳定性因素。

  为了解决上述的问题,深圳市亿维自动化技术有限公司对上述电路进行了改进优化以及测试验证,让光源能够得到真正意义的恒流驱动以及具备恒定的光通量特性。亿维自动化把改良后的电路嵌入到其水质在线监测控制单元的Ao输出部分中,让LED的恒流驱动使用起来十分便利和可靠。因为是嵌入式控制,随心所欲的对LED的电流进行恒定调节将变为现实。此时只需在控制程序部分中,对Ao输出部分的相关寄存器进行赋值即可得到精确度达到±0.1%级别的电流。

  深圳市亿维自动化技术有限公司专注于在线监测领域嵌入式开发已有多年之久,能够为在线监测领域提供整体解决方案。从上至下,从交互界面组态到各种泵体、阀门机构,各种不同波长的光源和光感传感器,再到底层控制单元,亿维自动化通过自身在监测领域积累的丰富经验,立足于技术的创新开发,给广大客户带来不同寻常的体验。

  下图是亿维自动化研发的专用于水质在线监测的嵌入式控制单元。

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  此控制单元结合PLC的优点,采用图形化的编程方式,非常便捷,上手也非常快。除了具备工业控制产品PLC的稳定可靠等优点之外,此控制单元还对光源的驱动部分做了如下改进:

  1、 采用业内最高级别的运放进行驱动,确保失调电压、失调电流以及温漂对光源的恒流驱动的影响降到最小。

  2、 所有电阻均采用进口高精密电阻,尤其是电流采样电阻,其温漂和稳定性都得到可靠的保证。

  3、 对于常用的恒流驱动电路而言,参考电压的获取是通过调节电位器得到的,而对于亿维自动化的控制单元,参考电压的获取是由高分辨率的DAC(数模转换)来实现的,真正实现了在线式可编程恒流源驱动,避免了因电位器机械接触所产生的误差和振动环境带来的失效风险。

  4、 低端负载接线方式,避免LED的长引线而带来的电磁干扰问题。

  5、 所有的Ao输出口均具备短路保护功能,即使出现负载短路的情况也绝不会损坏控制单元内部电路。

  下图是此控制单元的光源驱动电路示意图:

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  可以看得出,恒流驱动电路的参考电压直接由DAC给定,而DAC的数值是由控制程序根据整个设备工艺对吸光度的要求而进行编程给定。在这里,我们延续了传统的工业控制经常采用的数据格式,这个控制板的恒流驱动输出电流范围是0-20mA(可变更为更宽的输出范围,请跟我们联系),对应的编程数据范围是:

  0-32000。如果想以15mA的恒定电流对LED负载进行驱动,那么只需在寄存器里进行赋值24000即可,这里的寄存器是AQWx,x代表通道号的意思,如果是第0通道,那么x=0,如果是第一通道,那么x=1,依次类推。使用起来非常便捷直观,工程师们再也不用为电位器的旋钮失效而发愁了。

  下图是此控制单元的现场实际应用图,分别用来对600nm的橙光以及660nm的红光的LED光源进行恒流驱动,经过长时间的测试验证,其光通量以及设备测量出来的吸光度很稳定,精度误差可达到±0.5%级别。

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  干货|可编程恒流驱动助力分光光度测量更精确更稳定(图8)

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