LED照明設(shè)計(jì)專(zhuān)輯

　　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(chēng)。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。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)。

　　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)方式散出，這也是LED被稱(chēng)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(chēng)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)。

　　圖一 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

　　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L(zhǎng)ED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)電路如圖二（比較適合二手LED串聯(lián)應(yīng)用）：

　　圖二可靠性較高的LED驅(qū)動(dòng)電路圖

　　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。

　　圖三 LED發(fā)光二極管工作時(shí)溫度與