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LED照明设计基础全攻略

作者:时间:2013-08-14来源:网络收藏
中心议题:

探讨LED发光原理及主要参数

了解LED驱动器分类及设计方案

掌握LED散热处理方案基础

近年来,逐渐地得到了社会各界的推广和应用。LED家庭能够消费的 LED灯都是由各大照明制造商销售的灯泡型LED灯,很多公司也都陆续研发出了荧光灯型的LED灯,LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。要做好LED灯,仅仅依靠LED封装并不能制作出良好的照明灯具。为了设计出更好的灯具,必须对LED进行区别于传统光源的正确的电路设计。

本文就围绕灯具的设计进行介绍,具体包括是从LED发光原理及主要参数、驱动电路、散热分析等方面进行讲解。

一.LED发光原理及主要参数

1.LED发光原理

LED是电子二极管的一种,主要构造是PN结。如图1,当向LED的两端施加电压,电子就会吸收能量并向价电子带转移,然后再将吸收的能量释放出来。这个被释放出的能量就是光。放出的光的波长和颜色是由半导体的电势差决定的。
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图1 LED运作原理

LED具有一般硅二极管的类似特性,在正负极之间施加电压。当外加电压达到一个临界值,LED中产生电流,开始发光。当电压超过这个临界值时,电流急剧增加。白色LED的临界电压值约3.5V。红色、绿色、蓝色的LED临界电压值如表1所示。
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表1 LED灯概括图

我们用电路仿真来说明LED的电子特性以及驱动电路。电路仿真是对LED和电阻等的电子设计进行建模并在计算机上模拟计算电路运行的一种简易方法。这里使用的是Cadence公司的电路仿真PSpice A/D。同时使用了飞利浦照明公司的LUXEON系列LX3-PW71。

首先运用图2的电路来验证LED的电子特性。要得到电压-电流特性,需要进行直流解析。
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图2 验证电压-电流特性电路

解析结果如图3所示
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图3 根据 PSpice A/D所得到的解析结果:电压-电流特性

验证LXM3-PM71电压-电流特性的结果显示:在3.0V情况下电流约354mA。

2.LED的主要参数与特性

一般而言,用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依赖蓝光LED芯片的发明和发光效率的提高。

实现白光LED主要有两种方式。一种是使用LED芯片和荧光粉,另外一种是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一种方式。

使用荧光粉一般都是在蓝色LED芯片上涂覆黄色荧光粉。从LED芯片中发出的蓝色光遇到荧光粉时,部分光转换为黄色光。这部分转换的黄色光和蓝色光参杂在一起,就变成了白色光。通过调整荧光粉的量可以控制白光LED的色温,因此发光颜色在制作时就已经决定,后期不能调整。

同时,混合蓝色光和黄色光的话,由于红色和绿色的成分不足,造成显色性不佳。这样,可以通过在蓝色LED芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外LED芯片中参杂RGB荧光粉,来提高其显色性。

使用RGB 3色LED芯片的优势在于RGB可以调整各种色度,所以不仅能够产生白光,还能产生其他各种颜色的光。但是,LED芯片使用量增大,成本也就会上升。

LED的三大特性:

(1)热的特性

虽然LED发热很少,但是由于LED照明中,需要使用多颗数瓦级的LED,所以就会产生很高的热量。虽然LED效率比较高,但是高效率仅支持在微小电流中的运行。大电流、高温状态下,效率较低。

另外,荧光粉型的LED,在转换波长的时候会损失能量,从而产生热量。持续高温就会导致LED芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此,为了使LED的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去,就必须控制LED的结温。

(2)电的特性

LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关,但也使用220V的交流电。而LED 的电源则需要直流的恒定电流,所以需要将220V的交流转换为直流。电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率,因此提高电源效率对于提高LED照明 效率来说显得尤为重要。

调节LED光的方法主要有两种。一种是改变恒定电流,一种是改变脉冲调制。LED是电子与空穴再结合时发光,光束依赖于电流。电流小的情况下,光束和电流基本是成正比的,但当LED电流增大,热量随之增大,导致发光效率变低,光束和电流就不成正比了。

在改变脉冲占空比的方法中,由于Talbot-Plateau 效应(反复接受瞬间闪光后,人眼会感受到反复时间内的平均亮度),可以根据脉冲占空比改变亮度。

(3)光特性

与白炽灯和荧光灯相比,1颗LED发出的光比较少,所以需要使用多颗LED。同时,由于LED的发光面积小,亮度高,人眼直视的话很容易眩晕。为了降低亮度,需要使用扩散板。但是,使用扩散板的话,光向各个方向发散,降低了光的效率。
LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源,如果配光分布不同,照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小,其余部分反而照度增加的情况。

要减少光的浪费,控制配光分布,需要使用透镜和反光镜。LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点,再加上透镜和反光镜,就能构成一个好的光源。

其他在光源属性中,还有光谱。LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围,不放射红外线。因此,在不想使照射物变热的时候,使用LED较好。但是,LED自身会发热,所以需要注意防止其导热。另外还需要注意,荧光粉类型的LED,温度变化,色温也会随之变化。


二、LED照明驱动电路基本设计

led 的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器 要求。LED 驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED 的电流, 而无论输入及输出电压如何变化。LED驱动器基本的工作电路示意图如图4所示,其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED(即输入与输出)之间没有物理 上的电气连接,最常用的是采用变压器来电气隔离,而“非隔离”则没有采用高频变压器来电气隔离。

值得一提的是,在LED 照明设计中,AC-DC 电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置:

(1)整体式(integral)配置,即两者融合在一起,均位于照明灯具内,这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;

(2)分布式(distributed)配置,即两者单独存在,这种配置简化安全考虑,并增加灵活性。
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图4 LED驱动器的基本工作电路示意图


LED驱动器分类及设计

如今在市场上典型的LED驱动器包括两类,即线性驱动器和开关驱动器;大概的适用范围见图5.如电流大于500mA的大电流应用采用开关稳压器,因为线性驱动器限于自身结构原因,无法提供这样大的电流;而在电流低于200mA的低 电流应用中,通常采用线性稳压器或分离稳压器;而在200至500mA的中等电流应 用中,既可以采用线性稳压器,也可以采用开关稳压器。

开关稳压器的能效高,且提供极佳的亮度控制。线性稳压器结构比较简单,易于设计,提供稳流及过流保护,且没有电磁兼容性(EMC)问题。
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图5 LED驱动器分类

在低电流LED应用中,电阻型驱动器尽管成本较低且结构简单,但这种驱动器在低电压条件下,正向电流较低,会导致LED亮度不足,且在负载突降等瞬态条件下,LED可能受损;并且电阻是耗能元件,整个方案的能效较低,见图6。
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