LED照明设计专辑（一）

　　一、LED基础知识

 

　　1、LED发光原理

　　LED（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LED照明战略计划。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。

 

　　

　　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驱动电源的设计要点

　　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）：

 

　　

　　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。

 

　　

　　图三 LED发光二极管工作时温度与电流曲线

 

　　大多数电子爱好者都知道，PN结半导体器件正在向导通后，结电压VF随环境温度上升而下降，即：-2mv/℃，称PN结的负温度效应，利用该特性可制成温度传感器，但该特性在发光应用上却是致命的缺陷，直接影响它的发光效率。发光亮度、发光色度。通俗举例，常温25℃时，选择LED最佳工作电流20mA，当环境温度升到85℃，结电压VF下降，工作电流急剧增加到35-37mA，见图三，电流曲线Ⅰ，温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小8-10mA.，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到场所所需的照度。

　　为了避免上述不良现象，一般在LED的相关产品上，通常需要采用一些措施。如将LED装在散热板上，或风机风冷降温或者LED采用恒流源的供电方式，不会因LED随温度上升引起电流增加，防止PN结恶性升温，或两种方法并用。实践证明，用于大功率LED灯（如广告背景灯、街灯），家散热器确实是行之有效的措施。但LED灯进入寻常百姓家就碰到如下问题了：散热板，风冷能否集约在一个普通灯头的空间；采用集成电路或诸多元器件组成的恒流源电路，它的寿命和可靠性将不取决LED，根据“木桶理论”整个系统的可靠性则将取决于某种如温升等“短板”了。

　　《无线电》杂志介绍过的南京华巨电子有限公司专为LED应用研制的具有正温度系数的热敏电阻与负温度特性的LED串联，组成一个温度系数极小电阻型负载是一个廉价且效果不错的选择。一旦工作电压确定后，串联回路中的电流，将不会随温度变化而变化，通俗地说，当LED随温度升高电流增加时，热敏电阻也随温度升高，电阻变大，阻止了回路电流上升，当LED随温度下降，电流减小时，热敏电阻也随温度下降电阻变小，阻止了回路电流的减少。当匹配得当，当环境温度在-40℃~85℃范围内变化时，LED的最佳工作电流不会明显变化，见图二电流曲线Ⅱ。（串入热敏电阻的电流曲线Ⅱ，与没有串入热敏电阻的电流曲线Ⅰ对照图）从图一可以看到，采用热敏电阻温度补偿方法与集成电路等元件组成的恒流源相比，有着异曲同工之处，但最大的差异是用一种元件就解决了LED的恒流问题，其价格、体积、寿命等优势也不言而喻。

　　该公司产正温度热敏电阻WMZD常用规格见表一。

 

　　表一

　　

 

　　WMZD LED恒流源补偿热敏电阻为了满足要求可以多组串联使用，也可以并联使用，读者完全可以根据需要灵活选择应用以达到提高可靠性的作用。

　　3、220V交流LED驱动电路

　　由N路单元电路的电流之和，确定直流电源的输出电流，如采用输入电压有较大变化的220V AC/DC转换的直流电源，请考虑稳压措施。

 

　　

　　LED灯220V交流供电的基本电路

 

　　

 

　　LED灯220V交流供电的基本电路，220V经1A桥式整流后，接入由热敏电阻A20和5只LED/20mA组成的单元电路，共计12组，计算12组的工作电压＝（3V+3.3V×5）×12＝234V，（式中3V是恒流用5A20的压降，3.3V是LED的电压），计算电压大于220V，可放心接入220V整流电源，接入后回路电流应在18~20mA之间，因LED的电压离散性较大，在3.0V~3.6V之间，如检测回路电流大于20mA，可增添一只LED或一只5A20电阻，将电流降下来，反之可减去一只LED，将电流升上去。该LED灯实耗功率4.5W，其中用作恒流的12只A20，共耗用0.72W，直接用于发光的60只LED，共耗用3.78W，电源转换效率达84%。整组灯亮度接近8W荧光灯。本方案基本电路简单，可靠，高效，具有实用性。

　　220V桥式整流后不需要按常规并联虑波电介电容，LED可用脉动电流驱动发光，桥式整流后的电流是每秒100个连续正弦波，过零时间非常短，不会感觉有频闪现。并联电容后，虽对输出电流起平滑滤波作用，但一则增加成本，二则电介电容常处于冲电放态状，其寿命远远低于LED，因此不用为宜。

　　4、LED照明设计技巧

　　LED是冷光源，可选用色彩缤纷的塑料口杯、咖啡杯当灯罩，做成情调各异的装饰杯灯、筒灯、台灯、床头灯，另取聚乙烯塑料瓶盖、碗盖或废旧碟片，剪成与灯罩相配的形状，作电路板用，LED排例时用针穿孔定位，将两脚插入，在反面焊接，连成电路即可。做杯灯、筒灯LED调光台灯、杯灯。

　　如将上图电路稍作改变，变成LED直流调光灯，如下图。

 

　　

 

　　晶体管三极管13002与220K电位器（带开关）组合成调光电阻，当灯全亮时，回路电流20mA，13002导通（压降0.7v）时近无功耗，当灯半亮时10mA，13002耗0.34W，当灯低亮时5mA，13002耗0.26W，该电路简单可靠，调光效果好，制作成本极低。如家中有白织灯调光台灯，也可按下图线路图接法，无需改动双向可控硅调光电路，就可变成LED交流调光灯，更节电，但是光度弱的情况下。对光敏感的人可能会有频闪感。实物见照片1.

 

　　

　　做个室内日光灯或顶灯电路，用了60只LED相当8W荧光灯的亮度，明显不够，如并联成二路，用120只LED，可相当16w荧光灯。并联成三路，用180只LED，可相当25W荧光灯，以此类推。因用市电220V直接整流输出，电源内阻极小，可并联任意路灯不会引起整流输出电压变化，仅需考虑整流管的承受电流。也可以不增加并联路数，选用30mA的高亮LED（如食人鱼）或0.3W/100mA的LED，来达到提高亮度的需求。

　　LED 手电筒

　　下图是用于3.6V的。锂电池、镍氢电池或4V干式铅蓄电池供电的LED手电筒电路。

　　选用20mA/3.0V（或3.4V）的LED与5B100组成的单元电路，与电源电压3.6V（或4.0V）匹配。

　　LED 汽车车灯

　　以上LM317、LM1117属压降型DC/DC转换，在输入与输出压差较小时首选应用，但压差越大，转换效率越低，此时应选用开关型DC/DC转换电路，34063是一块通用、易购、价廉（0.60~0.80元/片）的开关升、降压集成电路，外围电路元件较少。

　　用于汽车LED车灯，输入电压12V，输出电压1.25~8V可调，最大输出电流700mA，选用1W 300mA的LED，按亮度需要可从1颗LED、2颗LED、4颗LED三种组合中任选。选用红光，黄光，白光LED，分别可做成汽车尾灯、转向灯、侧灯。选择组合2、3时，计算工作电压＝2×（0.5V＋VF}，调正R2的阻值将输出电压调到相应计算电压值（空载），接入负载后（满载），再加大R2的阻值，将回路电流微调到280~300mA，选择组合3时，应将电流微调到560~600mA。R2调正好后，防止阻值变动，应用固定电阻替代。