一、LED的基本知识

 

1.LED发光原理

 

LED（发光二极管）是发光二极管的缩写。由镓（Ga）、砷（AS）和磷（P）的化合物制成的二极管在电子和空穴结合时可以发射可见光，因此它们可以用来制造发光二极管，可以用作电路和仪器中的指示器，也可以用作文本或数字显示器。砷化镓二极管发出红光，磷化镓二极管发出绿光，碳化硅二极管发出黄色。

 

随着科学技术的进步，有一种LED可以发出类似的白炽光颜色，为现代照明提供了一种长寿命、高效的光源，而最有价值的是，该LED器件的寿命超过5万至10万小时，适用于各种场合。

 

2.LED的特性

 

LED发出的光与自然光不同，其光谱不连续，红外部分缺失，因此与白炽灯不同，LED产生的热量不是通过辐射散发的，而是必须通过传导散发的，这就是为什么LED被称为冷光源的原因。

 

LED具有以下优点：

 

高效节能：白色LED是目前已知的最节能的白色光源设备。1000小时只消耗几度电（普通60W白炽灯17小时消耗1度电，普通10W节能灯100小时消耗1千瓦时）

 

超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃气泡，不怕振动，不易破碎，使用寿命可达5万小时以上（普通白炽灯使用寿命仅数百小时，普通节能灯使用寿命只有8000小时）

 

绿色环保：不含汞、氙等有害元素，有利于回收利用，不产生电磁干扰（普通灯具中含有汞、铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰，灯具中仍存在汞元素）

 

视力保护：直流驱动，无闪烁（普通灯具为交流驱动，必然会产生频闪）

 

高光效率：低发热：90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转换为热能，只有20%的电能转变为光能）

 

市场潜力大：可以使用低压、直流电源、电池和太阳能电源，可用于偏远山区和野外照明等缺电少电的地方。

 

根据国际权威机构的预测，半导体发光二极管照明将在未来5-10年取代现有的传统光源，当然，这将取决于白色LED是否更便宜，而科技进步必然导致市场整体容量的快速增长。技术人员测量，在相同亮度下，LED的功耗仅为白炽灯的1/10，寿命是白炽灯的100倍。由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小的优点，专家称其为继白炽灯和荧光灯之后人类照明史上的又一次飞跃。根据美国能源部的说法，传统照明设备的全面更换将于2010年开始。日本、美国、欧洲、韩国等国家已正式启动LED照明战略规划。据介绍，今年在中国上海举行的世博会上，许多发达国家的展馆都充分使用了LED作为光源。在中国，LED的应用也处于蓬勃发展的阶段，但由于中国尚未掌握大功率LED的核心技术，该国仍处于进口半导体芯片和国产封装的阶段，因此价格与国外相比仍处于较高水平，并且应用程序受到轻微影响。

 

3.LED发光二极管的电气特性

 

LED处于正工作状态，当它达到其发光电压值时，LED开始发光，当电压继续增加时，LED的发光亮度急剧增加，如果电压稍微增加，LED可能会立即烧坏，可见LED属于一种电流器件，正是这种特性决定了LED必须在恒流状态下安全工作，这是LED器件在使用其他光源时不一致的主要方面，也是LED安全使用的关键因素，需要设计者充分注意。

 

上图显示了功率为1W的LED芯片的正向驱动电流与输出亮度之间的关系，可以看出，在350mA的范围内，驱动电流与流明输出之间存在明显的线性关系。然而，随着正向电流的增加，两者之间逐渐出现非线性关系。当驱动电流超过线性范围时，每瓦流明的效率将降低，而在线性范围内，每瓦的流明数将增加。当驱动电流超过线性范围时，它导致输出功率从LED转换为热能的形式，这成为LED驱动器的负担，增加了热设计的复杂性，并降低了LED的寿命。因此，对于1W LED器件，其正向驱动电流不超过350mA。对于常用的Ф5小功率LED灯珠，正向电流不超过20mA。对于3W大功率LED芯片，正向电流不应超过700mA。

 

第二，LED设计的基础

 

1.LED驱动电源设计要点

 

根据LED的特点，其安全使用方法是采用恒流驱动，恒流驱动电路的特点是：输出电流恒定，输出直流电压随负载电阻大小在一定范围内变化，负载电阻小，输出电压低，负载电阻值越大，输出电压就越高。

 

目前，市场上以LED为主要器件的成品，大多采用简单的电容器降压方式，并通过电容器实现恒流，这类产品有一个致命的缺点，即往往在切换电源的瞬间，所有的LED器件都会同时烧坏，原因是引起了电容器的充放电特性，其中电容器处于差分电路的电容中，发光管的内阻等于差分电路中的电阻，并且差分电路时间参数t=0.7RC，那么在t的充放电时刻，流经LED的瞬时电流非常大（可以达到正常电流的几十到几百倍），对芯片造成瞬时和永久的损坏。

 

可靠的LED驱动电路如下所示：

 

在该电路中，C1可以省略，U1可以用廉价的普通二极管代替，并且该电路的缺点是其效率低，并且当串联使用几十个（小于65个）发光管时效率更高。这个电路也可以简化，取消U1和C1，Q1基极可以直接连接到R1的下端，稳定电流为0.6/R1决定，当R1取30欧姆时，恒定电流为20mA。

 

理论上，LED是可以发光的二极管，事实上，所有LED的电学性质并不相同，尤其是对于电子爱好者容易买到的二手LED，每个LED的阈值Vf不同，这意味着LED的发光强度和驱动电流并不完全相同，或者很不一样，这时，设计者需要分析实际情况，采取最合理的设计方案，才能达到最有效的可靠性和经济效益。

 

由于LED是一种电流型器件，严格来说，它只能用于串联工作，在并联工作状态下，必须选择并联发光管，无论并联的管数如何，实践证明，管的压降差不应超过0.005V，否则很容易造成损坏。在过去的几年里，中国市场上出现了许多由7个、9个甚至更多LED并联生产的手电筒，一度繁荣，但自从1W、3W、5W LED手电筒出现单管后，串联生产的手电筒价格暴跌，几乎无人关心，恐怕不完全是手电筒的形状等原因，关键是技术模式落后，可靠性差是问题的关键。

 

最理想的LED驱动电路是PWM恒流控制模式的开关电源，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稳定电流控制部分和开关能量转换部分。PWM开关电流稳定的基本工作原理是，在输入电压、内部参数和外部负载发生变化的情况下，控制电路通过控制信号与参考信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的脉冲宽度，使得开关电源的输出电流稳定（即恒流电源）。电源效率极高，一般为80%~90%，输出电流相当稳定。一般来说，这种电路具有完善的保护措施，是一种高可靠性的电源。缺点是成本更高。

 

2.LED散热解决方案

 

LED的散热也是设计者必须考虑的一个关键问题，LED的光衰减与LED的工作时间和电流以及LED工作的温度有关。LED在正确工作状态下的工作寿命至少可以达到5万小时，通常很容易达到10万甚至数十万，但一旦环境温度过高，工作电流过大，就会导致LED的寿命急剧下降，甚至造成永久性损坏。一般的低功率LED应用不能考虑散热问题，但中功率LED目前已经出现了60-150mA的工作电流，那么设计师在LED的正常工作中就不得不考虑散热问题了，幸运的是，外径为8mm，一种150mA的白色LED引脚的工作电流相对较厚，基本上可以使用其较厚的引脚进行散热，但对于1W及3W以上的较大功率，5W甚至10W以上的LED必须配备散热器才能被视为正常的工作环境。

 

下图显示了LED LED工作时的温度与电流曲线

 

大多数电子爱好者都知道，PN结半导体器件导通后，结电压VF随着环境温度的升高而降低，即：-2mv/°C，这被称为PN结的负温度效应，利用这一特性可以制作温度传感器，但这种特性是光应用中的一个致命缺陷，直接影响其发光效率。发光亮度，发光色度。例如，当环境温度上升到85°C时，结电压VF下降，工作电流急剧增加到35-37mA，见图2，电流曲线I。当温度下降到-40°C，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA下降到8-10mA。，发光亮度也随着电流的减少而降低，无法达到场所所需的照度。

 

为了避免上述不良现象，LED相关产品通常需要采取一些措施。如果LED安装在散热板上，或者风扇风冷，或者LED采用恒流源供电模式，则电流不会因LED随温度的升高而增加，PN结也不会被恶意加热，或者这两种方法可以一起使用。实践证明，对于大功率LED灯（如广告背景灯、路灯），安装散热器确实是一种有效的措施。然而，当LED灯进入普通人的家中时，他们会遇到以下问题：散热板和空气冷却能否集中在一个普通灯头的空间内；使用集成电路或许多元件的恒流源电路，其寿命和可靠性将不取决于LED，根据“桶理论”，整个系统的可靠性将取决于温度上升等一些“缺点”。

 

<现在有很多LED电路设计材料可以参考，所以我不在这里重复>

 

LED作为一种光源，有一个非常重要的参数，那就是LED的色温，让我们利用本期特刊的末尾，也来了解一些关于光源色温的知识~

 

光源LED的色温不同，光的颜色也不同，LED的色温在3300K以下，有一种稳定的氛围，温暖的感觉；LED色温为3000-5000K，中间LED色温，有耳目一新的感觉；LED色温在5000K以上，有一种冰冷的感觉。不同光源的不同光色构成了最佳的环境。

 

LED色温定义

 

它由绝对温度K表示，即标准黑体被加热，当温度上升到一定程度时，黑体的颜色开始为暗红色-浅红色-橙色-黄色-白色-蓝色，并逐渐变化，当光源和黑体的颜色相同时，我们将黑体的绝对温度称为光源的LED色温。

 

不同光源环境下的LED色温：

 

以下是常见照明设备中使用的LED色温

 

卤素灯3000k

 

钨丝灯2700 K

 

高压钠灯1950-2250K

 

烛光2000k

 

金属卤化物灯4000-4600k

 

酷营地灯4000-5000K

 

高压汞灯3450-3750K

 

暖荧光灯2500-3000k

 

晴空8000-8500k

 

多云6500-7500公里

 

夏季正午太阳5500公里

 

下午日光4000k

 

LED色温特性

 

1.在高纬度地区，LED色温较高，所看到的颜色为蓝色。

 

2.在低纬度地区，LED色温较低，所看到的颜色为红色。

 

（<----LED色温低------------------LED色温高---->）

 

3.在白天，LED色温也会发生变化，当阳光倾斜照射时，能量更多地被（云、空气）吸收，因此LED色温较低。当阳光直射时，能量吸收较少，因此LED色温较高。

 

4.适用于Windows的sRGB颜色模型为6500 K作为标准LED色温，用D65表示。

 

5.清晨LED色温在4400K左右。

 

6.山区LED的色温约为6000 K

 

各种颜色的LED照明应用

 

1.白光具有完美的颜色特征，但它会损害适应暗光的视觉，并且在某种光源熄灭后需要一定的时间才能重新适应。

 

LED色温在3300K以下，灯光颜色偏红，给人一种温暖的感觉；有一种平静的气氛，一种温暖的感觉；当用低LED色温光源照明时，红色可以更生动。

 

LED色温在3000-6000K的中间，这种色调没有特别明显的视觉心理效果，有一种清爽的感觉；这就是为什么它被称为“中性”LED色温。当用中等LED色温光源照明时，蓝色有一种凉爽的感觉。

 

LED色温超过6000K，灯光颜色为蓝色，给人一种寒冷的感觉，而当使用高LED色温光源时，物体会有寒冷的感觉

 

2.红灯常用于夜视。红灯不会导致你的瞳孔收缩过多，一旦红灯熄灭，眼睛也不需要重新适应黑暗。在单色照片处理中，红色也通常被用作“安全”的颜色，因为它不会损坏正在打印的底片，而黄光具有红光和白光的一些优点。黄光的另一个优点是，当你阅读时，你可以减少光线的反射和眩光，因为长时间阅读会导致眼睛疲劳。

 

3.绿光也可以用于夜视，绿光也特别适合在晚上阅读地图或图表。它也不太容易被夜视设备发现，因此很容易被人眼检测到，而且绿光的亮度不如红光。

 

4.蓝光可以在晚上用来阅读地图，并且经常受到军事人员的青睐，因为它增加了对比度。它也可以用作电影院和演出的后台工作浅色。

 

5、蓝绿光具有与绿光和蓝光相似的夜视优势，但随着蓝绿光颜色特性的提高，一些用户因此喜欢使用蓝绿光。

 

6.红外红光与夜视设备配合使用。否则，人眼就看不到红外光。

 

7.紫外线通常用于识别钞票是否是伪造的，一些紫外线LED照明器在夜总会和派对上很流行，它们用于使荧光物质发出更明亮的光。

 

LED色温比较

 

1700 K：火柴灯

 

1850 K：蜡烛

 

2800 K：钨丝灯（白炽灯）

 

3350 K:工作室“CP”灯

 

3400K：摄影棚台灯、摄影泛光灯（不闪光）等。。。

 

4100 K:月光

 

5000 K：夏令时

 

5500 K：平均日光，电子闪光灯（因制造商而异）

 

5770 K：有效太阳温度

 

6420 K：氙弧灯

 

6500 K：夏令时

 

9300 K:电视屏幕（模拟）