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LED照明设计专辑

作者:时间:2011-08-23来源:网络收藏

  一、基础知识

  1、发光原理

  (Light Emitting Diode)是发光二极管的简称。由镓(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管,在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。随着科技的进步,出现了可以发出类似白炽灯光色的LED,这就为现代照明提供了一种寿命长,效率高的照明光源,最为可贵的是,LED器件具有长达5万以至10万小时以上寿命,适合多种场合应用的特点。

  2、LED的特点

  LED发出的光与自然光不同,其频谱不是连续的,缺少红外部分,所以与白炽灯不同,LED产生的热量不是靠辐射散出,而是必须通过传导方式散出,这也是LED被称为冷光源的原因。LED具有以下优点:

  高效节能:白光LED是目前已知的最为节能的白光光源器件。一千小时仅耗几度电(普通60W白炽灯十七小时耗1度电,普通10W节能灯一百小时耗1度电)

  超长寿命:半导体芯片发光,无灯丝,无玻璃泡,不怕震动,不易破碎,使用寿命可达五万小时以上(普通白炽灯使用寿命仅有数百小时,普通节能灯使用寿命也只有八千小时)

  绿色环保:不含汞和氙等有害元素,利于回收和利用,而且不会产生电磁干扰(普通灯管中含有汞和铅等元素,节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰,且灯管中照样存在汞元素)

  保护视力:直流驱动,无频闪(普通灯都是交流驱动,就必然产生频闪)

  光效率高:发热小:90%的电能转化为可见光(普通白炽灯80%的电能转化为热能,仅有20%电能转化为光能)

  市场潜力大:低压、直流供电,电池、太阳能供电即可,可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

  根据国际权威机构预测,半导体发光二极管照明将在未来5-10年内取代现有传统光源,当然这将取决于白光LED更加便宜,科技进步必然造成市场总体容量快速增长。技术人员经测量发现,在同样亮度下,LED的电能消耗仅为白炽灯的1/10,寿命则是白炽灯的100倍。由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小等优点,专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。根据美国能源部的预计,传统照明器件的彻底更新换代将在2010年开始启动。日、美、欧、韩等国均已正式启动战略计划。据报道,今年在我国上海召开的世博会上许多发达国家展馆已全面使用了LED作为照明光源。在我国,LED的应用也处于蓬蓬勃勃的发展阶段,但是由于我国没有掌握大功率LED的核心技术,国内目前还处于进口半导体芯片,国内封装阶段,因此从价格上相对于国外还处于高位,应用也就稍加受到影响。

  3、LED发光二极管的电气特性

  LED处于正向工作状态,在达到其发光电压值时,LED开始发光,继续增加电压时,LED发光亮度急剧增加,如再略增加电压,LED则可能瞬间烧毁,由此可见,LED属于一种电流器件,正是这一特性,决定了LED必须在恒流状态下才能安全工作,这是LED器件在使用上与其他光源不一致的主要方面,也是安全使用LED的关键因素,需要设计者充分注意的要点。

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  图一 功率为1W的LED芯片正向驱动电流与输出亮度的关系

  图一所示是功率为1W的LED芯片正向驱动电流与输出亮度的关系,从中可以看出,驱动电流与流明输出在350mA范围内呈现明显的线性关系。但是,随着正向电流的增加,两者之间渐渐出现非线性关系。当驱动电流超过线性范围时,每瓦产生的流明效率将会降低,而在线性范围内,每瓦产生的流明数将呈现上升的趋势。当驱动电流超过线性范围时,会导致输出功率从LED转换为热能形式,此种热能会成为LED驱动器的负担,增加热能设计的复杂度,并降低LED寿命。所以对于1W功率的LED器件,其正向驱动电流不超过350mA。 对于目前常用的Ф5小功率LED灯珠,正向电流不超过20mA。对于3W大功率LED芯片,正向电流不宜超过700mA。

  二、LED设计基础

  1、LED的设计要点

  根据LED的特性,其安全的使用方法是采用恒流式驱动, 恒流驱动电路特点是:输出的电流是恒定的,而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化,负载阻值小,输出电压就低,负载阻值越大,输出电压也就越高。

  细心的读者可能会发现,目前市场上以LED为主要器件的成品,大多采用简单的电容降压方式,通过电容达到恒流作用,这类产品有一个致命的缺点,那就是往往在开关电源的瞬间,一下子将LED器件全部烧毁,其原因在于,电容器的充放电特性造成的,在这里电容器处于微分电路的电容,发光管内阻等等效于微分电路中的电阻,微分电路的时间参数t=0.7RC,则在t的充放电的瞬间,流过LED的瞬间电流极大(可能达到正常电流的数十倍以至数百倍),造成瞬间永久性的损坏芯片。

  一个可靠性较高的LED驱动电路如图二(比较适合二手LED串联应用):

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  图二可靠性较高的LED驱动电路图

  这个电路中,C 1可以省略,另外U1可以用价格低廉的普通二极管代替,该电路的缺点在于其效率较低,当使用数十个(65个以下)以上的发光管串联时,效率较高。本电路还可以简化,取消U1及C1,Q1基极直接与R1下端相连即可,稳定流为0.6/R1决定,当R1取30欧姆时,恒定电流为20mA。

  理论上LED都是能发光的二极管,而实际上所有LED的电性能都是不一样的,特别对于电子爱好者容易得到的二手LED,每支LED的阀值Vf都有差异,这就是说LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的,或者相差很大,此时设计者就需要针对实际情况加以分析采用最合理的设计方案,才可能达到最有效的可靠性及经济效益。

  由于LED属于电流型器件,严格的说只能采用串联工作方式,在并联工作状态下,必须对所并联的发光管进行帅选,不论并联的管子多少,实践证明管压降差不得超过0.005V,否则很容易造成损坏。前几年我国市场上出现了许多由7、9甚至更多的LED并联生产的手电筒,曾经也风光一时,但是自出现了单只管子的1W、3W、5W的LED手电筒之后,这种以串联方式生产的手电筒在价格上则直线下降,到了几乎无人问津的地步,恐怕就不完全是手电筒外形等原因了,关键在于技术方式落后,可靠性差才是问题的关键了。

  最为理想的LED驱动电路是PWM恒流控制方式的开关电源,主要由四部分组成,输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳流控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳流的基本工作原理就是在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件导通的脉冲宽度,使得开关电源的输出电流稳定(即恒流电源)。电源效率极高,一般可以做到80%~90%,输出电流相当稳定。一般这种电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。其缺点在于成本较高。

  2、LED的散热解决方案

  LED的散热问题也是设计者必须考虑的关键问题,LED的光衰与LED的工作时间和工作电流以及LED工作时的温度有关。正确工作状态下LED的工作寿命至少可以达到5万小时以上,一般达到10万甚至几十万是很轻松的,然而一旦出现环境温度过高,工作电流过大,则将造成LED的寿命急剧下降,甚至造成永久的损坏。一般的小功率LED应用时可以不必考虑散热的问题,但是目前工作电流达60—150mA的中功率LED已经出现,这时就要求设计者不得不考虑LED正常工作中的散热问题,好在外径8mm,工作电流为150mA的一种发白光的LED其管脚比较粗,基本上可以利用其粗壮的管脚进行散热,但是对更大功率如1W及以上的3W、5W甚至10W以上的LED则必须加散热片才算是正常的工作环境。

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  图三 LED发光二极管工作时温度与


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关键词: LED LED照明 驱动电源

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