一、LED基礎(chǔ)知識(shí)
1、LED發(fā)光原理
LED(Light Emitting Diode)是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱。隨著科技的進(jìn)步，出現(xiàn)了可以發(fā)出類(lèi)似白熾燈光色的LED，這就為現(xiàn)代照明提供了一種壽命長(zhǎng)，效率高的照明光源，最為可貴的是，LED器件具有長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)以至10萬(wàn)小時(shí)以上壽命，適合多種場(chǎng)合應(yīng)用的特點(diǎn)。
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2、LED的特點(diǎn)
LED發(fā)出的光與自然光不同，其頻譜不是連續(xù)的，缺少紅外部分，所以與白熾燈不同，LED產(chǎn)生的熱量不是靠輻射散出，而是必須通過(guò)傳導(dǎo)方式三出，這也是LED被稱為冷光源的原因。LED具有以下優(yōu)點(diǎn)：
高效節(jié)能：白光LED是目前已知的最為節(jié)能的白光光源器件。一千小時(shí)僅耗幾度電(普通60W白熾燈十七小時(shí)耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時(shí)耗1度電)
超長(zhǎng)壽命：半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無(wú)燈絲，無(wú)玻璃泡，不怕震動(dòng)，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬(wàn)小時(shí)以上(普通白熾燈使用壽命僅有數(shù)百小時(shí)，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時(shí))
綠色環(huán)保：不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，且燈管中照樣存在汞元素)
保護(hù)視力：直流驅(qū)動(dòng)，無(wú)頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動(dòng)，就必然產(chǎn)生頻閃)
光效率高：發(fā)熱小:90%的電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光(普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有20%電能轉(zhuǎn)化為光能)
市場(chǎng)潛力大：低壓、直流供電，電池、太陽(yáng)能供電即可，可用于邊遠(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場(chǎng)所。
根據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體發(fā)光二極管照明將在未來(lái)5-10年內(nèi)取代現(xiàn)有傳統(tǒng)光源，當(dāng)然這將取決于白光LED更加便宜，科技進(jìn)步必然造成市場(chǎng)總體容量快速增長(zhǎng)。技術(shù)人員經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同樣亮度下，LED的電能消耗僅為白熾燈的1/10，壽命則是白熾燈的100倍。由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，專(zhuān)家們稱其為人類(lèi)照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。根據(jù)美國(guó)能源部的預(yù)計(jì)，傳統(tǒng)照明器件的徹底更新?lián)Q代將在2010年開(kāi)始啟動(dòng)。日、美、歐、韓等國(guó)均已正式啟動(dòng)LED照明戰(zhàn)略計(jì)劃。據(jù)報(bào)道，今年在我國(guó)上海召開(kāi)的世博會(huì)上許多發(fā)達(dá)國(guó)家展館已全面使用了LED作為照明光源。在我國(guó)，LED的應(yīng)用也處于蓬蓬勃勃的發(fā)展階段，但是由于我國(guó)沒(méi)有掌握大功率LED的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)目前還處于進(jìn)口半導(dǎo)體芯片，國(guó)內(nèi)封裝階段，因此從價(jià)格上相對(duì)于國(guó)外還處于高位，應(yīng)用也就稍加受到影響。
3、LED發(fā)光二極管的電氣特性
LED處于正向工作狀態(tài)，在達(dá)到其發(fā)光電壓值時(shí)，LED開(kāi)始發(fā)光，繼續(xù)增加電壓時(shí)，LED發(fā)光亮度急劇增加，如再略增加電壓，LED則可能瞬間燒毀，由此可見(jiàn)，LED屬于一種電流器件，正是這一特性，決定了LED必須在恒流狀態(tài)下才能安全工作，這是LED器件在使用上與其他光源不一致的主要方面，也是安全使用LED的關(guān)鍵因素，需要設(shè)計(jì)者充分注意的要點(diǎn)。
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圖一所示是功率為1W的LED芯片正向驅(qū)動(dòng)電流與輸出亮度的關(guān)系，從中可以看出，驅(qū)動(dòng)電流與流明輸出在350mA范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系。但是，隨著正向電流的增加，兩者之間漸漸出現(xiàn)非線性關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)線性范圍時(shí)，每瓦產(chǎn)生的流明效率將會(huì)降低，而在線性范圍內(nèi)，每瓦產(chǎn)生的流明數(shù)將呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流超過(guò)線性范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出功率從LED轉(zhuǎn)換為熱能形式，此種熱能會(huì)成為LED驅(qū)動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，增加熱能設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并降低LED壽命。所以對(duì)于1W功率的LED器件，其正向驅(qū)動(dòng)電流不超過(guò)350mA。 對(duì)于目前常用的Ф5小功率LED燈珠，正向電流不超過(guò)20mA。對(duì)于3W大功率LED芯片，正向電流不宜超過(guò)700mA。
二、LED設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1、LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
根據(jù)LED的特性，其安全的使用方法是采用恒流式驅(qū)動(dòng)， 恒流驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)是：輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高。
細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上以LED為主要器件的成品，大多采用簡(jiǎn)單的電容降壓方式，通過(guò)電容達(dá)到恒流作用，這類(lèi)產(chǎn)品有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是往往在開(kāi)關(guān)電源的瞬間，一下子將LED器件全部燒毀，其原因在于，電容器的充放電特性造成的，在這里電容器處于微分電路的電容，發(fā)光管內(nèi)阻等等效于微分電路中的電阻，微分電路的時(shí)間參數(shù)t=0.7RC,則在t的充放電的瞬間，流過(guò)LED的瞬間電流極大(可能達(dá)到正常電流的數(shù)十倍以至數(shù)百倍)，造成瞬間永久性的損壞芯片。
一個(gè)可靠性較高的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖一(比較適合二手LED串聯(lián)應(yīng)用)：
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這個(gè)電路中，C 1可以省略，另外U1可以用價(jià)格低廉的普通二極管代替，該電路的缺點(diǎn)在于其效率較低，當(dāng)使用數(shù)十個(gè)(65個(gè)以下)以上的發(fā)光管串聯(lián)時(shí)，效率較高。本電路還可以簡(jiǎn)化，取消U1及C1，Q1基極直接與R1下端相連即可，穩(wěn)定流為0.6/R1決定，當(dāng)R1取30歐姆時(shí)，恒定電流為20mA。
理論上LED都是能發(fā)光的二極管，而實(shí)際上所有LED的電性能都是不一樣的，特別對(duì)于電子愛(ài)好者容易得到的二手LED，每支LED的閥值Vf都有差異，這就是說(shuō)LED的發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流是不完全相同的，或者相差很大，此時(shí)設(shè)計(jì)者就需要針對(duì)實(shí)際情況加以分析采用最合理的設(shè)計(jì)方案，才可能達(dá)到最有效的可靠性及經(jīng)濟(jì)效益。
由于LED屬于電流型器件，嚴(yán)格的說(shuō)只能采用串聯(lián)工作方式，在并聯(lián)工作狀態(tài)下，必須對(duì)所并聯(lián)的發(fā)光管進(jìn)行帥選，不論并聯(lián)的管子多少，實(shí)踐證明管壓降差不得超過(guò)0.005V，否則很容易造成損壞。前幾年我國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多由7、9甚至更多的LED并聯(lián)生產(chǎn)的手電筒，曾經(jīng)也風(fēng)光一時(shí)，但是自出現(xiàn)了單只管子的1W、3W、5W的LED手電筒之后，這種以串聯(lián)方式生產(chǎn)的手電筒在價(jià)格上則直線下降，到了幾乎無(wú)人問(wèn)津的地步，恐怕就不完全是手電筒外形等原因了，關(guān)鍵在于技術(shù)方式落后，可靠性差才是問(wèn)題的關(guān)鍵了。
最為理想的LED驅(qū)動(dòng)電路是PWM恒流控制方式的開(kāi)關(guān)電源，主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩(wěn)流控制部分、開(kāi)關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)流的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電流穩(wěn)定(即恒流電源)。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電流相當(dāng)穩(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護(hù)措施，屬高可靠性電源。其缺點(diǎn)在于成本較高。
2、LED的散熱解決方案
LED的散熱問(wèn)題也是設(shè)計(jì)者必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題，LED的光衰與LED的工作時(shí)間和工作電流以及LED工作時(shí)的溫度有關(guān)。正確工作狀態(tài)下LED的工作壽命至少可以達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)以上，一般達(dá)到10萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)是很輕松的，然而一旦出現(xiàn)環(huán)境溫度過(guò)高，工作電流過(guò)大，則將造成LED的壽命急劇下降，甚至造成永久的損壞。一般的小功率LED應(yīng)用時(shí)可以不必考慮散熱的問(wèn)題，但是目前工作電流達(dá)60—150mA的中功率LED已經(jīng)出現(xiàn)，這時(shí)就要求設(shè)計(jì)者不得不考慮LED正常工作中的散熱問(wèn)題，好在外徑8mm，工作電流為150mA的一種發(fā)白光的LED其管腳比較粗，基本上可以利用其粗壯的管腳進(jìn)行散熱，但是對(duì)更大功率如1W及以上的3W、5W甚至10W以上的LED則必須加散熱片才算是正常的工作環(huán)境。
圖二是LED發(fā)光二極管工作時(shí)溫度與電流曲線
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大多數(shù)電子愛(ài)好者都知道，PN結(jié)半導(dǎo)體器件正在向?qū)ê?，結(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即：-2mv/℃，稱PN結(jié)的負(fù)溫度效應(yīng)，利用該特性可制成溫度傳感器，但該特性在發(fā)光應(yīng)用上卻是致命的缺陷，直接影響它的發(fā)光效率。發(fā)光亮度、發(fā)光色度。通俗舉例，常溫25℃時(shí)，選擇LED最佳工作電流20mA，當(dāng)環(huán)境溫度升到85℃，結(jié)電壓VF下降,工作電流急劇增加到35-37mA，見(jiàn)圖二,電流曲線Ⅰ,溫度下降至-40℃時(shí)，結(jié)電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小8-10mA.,發(fā)光亮度也隨電流的減少而降低，達(dá)不到場(chǎng)所所需的照度。
為了避免上述不良現(xiàn)象，一般在LED的相關(guān)產(chǎn)品上，通常需要采用一些措施。如將LED裝在散熱板上，或風(fēng)機(jī)風(fēng)冷降溫或者LED采用恒流源的供電方式，不會(huì)因LED隨溫度上升引起電流增加，防止PN結(jié)惡性升溫，或兩種方法并用。實(shí)踐證明，用于大功率LED燈(如廣告背景燈、街燈)，家散熱器確實(shí)是行之有效的措施。但LED燈進(jìn)入尋常百姓家就碰到如下問(wèn)題了：散熱板，風(fēng)冷能否集約在一個(gè)普通燈頭的空間;采用集成電路或諸多元器件組成的恒流源電路，它的壽命和可靠性將不取決LED，根據(jù)“木桶理論”整個(gè)系統(tǒng)的可靠性則將取決于某種如溫升等“短板”了。
《無(wú)線電》雜志介紹過(guò)的南京華巨電子有限公司專(zhuān)為L(zhǎng)ED應(yīng)用研制的具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻與負(fù)溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個(gè)溫度系數(shù)極小電阻型負(fù)載是一個(gè)廉價(jià)且效果不錯(cuò)的選擇。一旦工作電壓確定后，串聯(lián)回路中的電流，將不會(huì)隨溫度變化而變化，通俗地說(shuō)，當(dāng)LED隨溫度升高電流增加時(shí)，熱敏電阻也隨溫度升高，電阻變大，阻止了回路電流上升，當(dāng)LED隨溫度下降，電流減小時(shí)，熱敏電阻也隨溫度下降電阻變小，阻止了回路電流的減少。當(dāng)匹配得當(dāng)，當(dāng)環(huán)境溫度在-40℃~85℃范圍內(nèi)變化時(shí)，LED的最佳工作電流不會(huì)明顯變化，見(jiàn)圖二電流曲線Ⅱ。(串入熱敏電阻的電流曲線Ⅱ，與沒(méi)有串入熱敏電阻的電流曲線Ⅰ對(duì)照?qǐng)D)從圖一可以看到，采用熱敏電阻溫度補(bǔ)償方法與集成電路等元件組成的恒流源相比，有著異曲同工之處，但最大的差異是用一種元件就解決了LED的恒流問(wèn)題，其價(jià)格、體積、壽命等優(yōu)勢(shì)也不言而喻。
該公司產(chǎn)正溫度熱敏電阻WMZD常用規(guī)格見(jiàn)表一.
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WMZD LED恒流源補(bǔ)償熱敏電阻為了滿足要求可以多組串聯(lián)使用，也可以并聯(lián)使用，讀者完全可以根據(jù)需要靈活選擇應(yīng)用以達(dá)到提高可靠性的作用。
3、220V交流LED驅(qū)動(dòng)電路
由N路單元電路的電流之和，確定直流電源的輸出電流，如采用輸入電壓有較大變化的220V AC/DC轉(zhuǎn)換的直流電源，請(qǐng)考慮穩(wěn)壓措施。
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LED燈220V交流供電的基本電路
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LED燈220V交流供電的基本電路，220V經(jīng)1A橋式整流后，接入由熱敏電阻A20和5只LED/20mA組成的單元電路，共計(jì)12組，計(jì)算12組的工作電壓=(3V+3.3V×5)×12=234V，(式中3V是恒流用5A20的壓降，3.3V是LED的電壓)，計(jì)算電壓大于220V，可放心接入220V整流電源，接入后回路電流應(yīng)在18~20mA之間，因LED的電壓離散性較大，在3.0V~3.6V之間，如檢測(cè)回路電流大于20mA，可增添一只LED或一只5A20電阻，將電流降下來(lái)，反之可減去一只LED，將電流升上去。該LED燈實(shí)耗功率4.5W，其中用作恒流的12只A20，共耗用0.72W，直接用于發(fā)光的60只LED，共耗用3.78W，電源轉(zhuǎn)換效率達(dá)84%。整組燈亮度接近8W熒光燈。本方案基本電路簡(jiǎn)單，可靠，高效，具有實(shí)用性。
220V橋式整流后不需要按常規(guī)并聯(lián)慮波電介電容，LED可用脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光,橋式整流后的電流是每秒100個(gè)連續(xù)正弦波，過(guò)零時(shí)間非常短，不會(huì)感覺(jué)有頻閃現(xiàn)。并聯(lián)電容后，雖對(duì)輸出電流起平滑濾波作用，但一則增加成本，二則電介電容常處于沖電放態(tài)狀，其壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED，因此不用為宜。
4、LED照明設(shè)計(jì)技巧
LED是冷光源,可選用色彩繽紛的塑料口杯、咖啡杯當(dāng)燈罩，做成情調(diào)各異的裝飾杯燈、筒燈、臺(tái)燈、床頭燈，另取聚乙烯塑料瓶蓋、碗蓋或廢舊碟片，剪成與燈罩相配的形狀,作電路板用，LED排例時(shí)用針穿孔定位，將兩腳插入，在反面焊接，連成電路即可。做杯燈、筒燈
LED調(diào)光臺(tái)燈、杯燈
如將上圖電路稍作改變，變成LED直流調(diào)光燈,如下圖
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晶體管三極管13002與220K電位器(帶開(kāi)關(guān))組合成調(diào)光電阻，當(dāng)燈全亮?xí)r，回路電流20mA，13002導(dǎo)通(壓降0.7v)時(shí)近無(wú)功耗，當(dāng)燈半亮?xí)r10mA，13002耗0.34W，當(dāng)燈低亮?xí)r5mA，13002耗0.26W，該電路簡(jiǎn)單可靠，調(diào)光效果好,制作成本極低。如家中有白織燈調(diào)光臺(tái)燈，也可按下圖線路圖接法，無(wú)需改動(dòng)雙向可控硅調(diào)光電路，就可變成LED交流調(diào)光燈，更節(jié)電，但是光度弱的情況下。對(duì)光敏感的人可能會(huì)有頻閃感。實(shí)物見(jiàn)照片1.
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LED日光燈、頂燈
做個(gè)室內(nèi)日光燈或頂燈電路，用了60只LED相當(dāng)8W熒光燈的亮度，明顯不夠，如并聯(lián)成二路，用120只LED，可相當(dāng)16w熒光燈。并聯(lián)成三路，用180只LED，可相當(dāng)25W熒光燈，以此類(lèi)推。因用市電220V直接整流輸出，電源內(nèi)阻極小，可并聯(lián)任意路燈不會(huì)引起整流輸出電壓變化，僅需考慮整流管的承受電流。也可以不增加并聯(lián)路數(shù)，選用30mA的高亮LED(如食人魚(yú))或0.3W/100mA的LED，來(lái)達(dá)到提高亮度的需求。
LED 手電筒
下圖是用于3.6V的.鋰電池、鎳氫電池或4V干式鉛蓄電池供電的LED手電筒電路。
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選用20mA/3.0V(或3.4V)的LED與5B100組成的單元電路,與電源電壓3.6V(或4.0V)匹配。
LED 汽車(chē)車(chē)燈
以上LM317、LM1117屬壓降型DC/DC轉(zhuǎn)換，在輸入與輸出壓差較小時(shí)首選應(yīng)用，但壓差越大，轉(zhuǎn)換效率越低，此時(shí)應(yīng)選用開(kāi)關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換電路，34063是一塊通用、易購(gòu)、價(jià)廉(0.60~0.80元/片)的開(kāi)關(guān)升、降壓集成電路，外圍電路元件較少，見(jiàn)下圖
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用于汽車(chē)LED車(chē)燈，輸入電壓12V，輸出電壓1.25~8V可調(diào)，最大輸出電流700mA，選用1W 300mA的LED，按亮度需要可從1顆LED、2顆LED、4顆LED三種組合中任選。選用紅光,黃光,白光LED，分別可做成汽車(chē)尾燈、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)燈。選擇組合2、3時(shí),計(jì)算工作電壓=2×(0.5V+VF}，調(diào)正R2的阻值將輸出電壓調(diào)到相應(yīng)計(jì)算電壓值(空載)，接入負(fù)載后(滿載)，再加大R2的阻值，將回路電流微調(diào)到280~300mA，選擇組合3時(shí)，應(yīng)將電流微調(diào)到560~600mA。R2調(diào)正好后，防止阻值變動(dòng)，應(yīng)用固定電阻替代。