LED照明技術(shù)之LED基礎(chǔ)知識(shí)

　　現(xiàn)階段節(jié)能已經(jīng)成為一種硬性的要求，不是一種選擇，而其中一部分需要采用環(huán)保綠色的方式去實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對(duì)于照明來(lái)說(shuō)，我們可以很容易的設(shè)想全球照明提高10%的效率后所帶來(lái)的影響，但是提高1000%呢？最近高效率發(fā)光二極管（LED）可能實(shí)現(xiàn)這種效率的改進(jìn)，并且能夠以良好的表現(xiàn)力和高可靠性取代現(xiàn)階段所用的產(chǎn)品。這篇文章有四部分，第一部分我們關(guān)注LED 的物理結(jié)構(gòu)，發(fā)光范圍，效率，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用。

　　物理解析

　　物理層面上，LED 類似于p-n 結(jié)二極管。作為p-n 結(jié)，當(dāng)將陽(yáng)極（p 區(qū)域）和陰極（n 區(qū)域）之間加正電壓時(shí)，電子和空穴向截面移動(dòng)。一旦電子和空穴復(fù)合將釋放出能量，p-n 材料的物理特性決定了釋放能量的形式，至于分立電路中用到的標(biāo)準(zhǔn)二極管，它們釋放能量的方式可以是沒(méi)有輻射的或者以可見(jiàn)光的方式向外釋放。對(duì)于LED，它所發(fā)射出光的波長(zhǎng)（也就是光的顏色）由p-n 結(jié)材料的禁帶寬度特性來(lái)決定。要想提高性能，LED 材料要有低的反向擊穿電壓，也就是低的禁帶寬度。

　　顏色

　　在20 世紀(jì)60 年代晚期，紅光LED 在商業(yè)上最早得到了應(yīng)用，但是當(dāng)時(shí)發(fā)出的光非常的弱。盡管有這樣的不足，紅光LED 還是被廣泛的應(yīng)用到七段顯示器上。由于材料科學(xué)上的進(jìn)步，如今商業(yè)上應(yīng)用的LED 已經(jīng)可以發(fā)出多種色光，而其中一部分光，如果你直接盯著看的話，能使你的眼睛失明。

　　藍(lán)光LED 在幾年前得到了廣泛的應(yīng)用。將藍(lán)光LED，綠光和紅光LED 所產(chǎn)生的光混合將產(chǎn)生白光，這種可以產(chǎn)生白光的技術(shù)可以提供很寬的色域，光動(dòng)態(tài)調(diào)諧特性好，顯色性能出色（CRI），非常適合高端背光應(yīng)用。用藍(lán)光LED 和熒光粉的方式產(chǎn)生白光可以更簡(jiǎn)單更經(jīng)濟(jì)，它可以使一部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換成黃光。黃光可以模仿眼睛所感受到的紅光和綠光，因此藍(lán)光和黃光混合就可以產(chǎn)生白光。這種方案可以提供良好的顯色性能，但是由于制作工藝的差異和熒光粉厚度不同，使得這種方式產(chǎn)生的白光遭受著色溫不一致的困擾。

圖1：LED 幾種基本顏色的比色圖表

　　效率

　　對(duì)于LED 光源來(lái)說(shuō)高效率是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，當(dāng)提到照明時(shí)，效率被定義為單位功率所產(chǎn)生的光，因此，在公制中，是用流明每瓦來(lái)衡量。最近一些LED 產(chǎn)品在介紹時(shí)承諾效率可以高達(dá)150 流明/瓦，比較而言，白熾燈為15 流明/瓦，熒光燈可以提供70 流明/瓦。因此LED 就會(huì)在不久的將來(lái)取代白熾燈和熒光燈嗎？有可能，但是不幸的是一些LED 的效率數(shù)據(jù)只是停留在規(guī)格書上。問(wèn)題在于LED 產(chǎn)生的相當(dāng)一部分光在封裝材料表面被反射回了LED 芯片，對(duì)于這樣的事實(shí)LED 本身也無(wú)能為力。這部分反射回來(lái)的光可能是被半導(dǎo)體材料吸收然后轉(zhuǎn)換成熱量一樣。

　　抗放射涂層，和將反射角降到最低都可以減少光的反射量和提高效率，降低反射角可以通過(guò)使用半球體封裝，將LED 芯片放在中央來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而這些技術(shù)還要取決于制作工藝的變化程度和比較高的額外費(fèi)用來(lái)確保性能穩(wěn)定。因此盡管LED在工業(yè)上正在被快速的采納，但LED 的發(fā)展還有很長(zhǎng)的路要走。

　　應(yīng)用

　　很多因素使得LED 成為令人關(guān)注的高性能現(xiàn)代電子技術(shù)。例如，更高的輸出效率延長(zhǎng)了電池壽命，這樣非常適合便攜產(chǎn)品的應(yīng)用。此外，LED 快速的開(kāi)關(guān)特性在機(jī)動(dòng)車尾燈的應(yīng)用上可以得到完美的體現(xiàn)。尤其是剎車燈上的應(yīng)用，它可以給駕駛者提供更多的反映時(shí)間，提高駕車的安全性。由于LED 不含有鉛和汞，在背光應(yīng)用上，紅綠藍(lán)三原色LED 滿足了ROHS 標(biāo)準(zhǔn)。由于具有較寬的色域，LED 照明使全光譜光源變得容易。LED 的獨(dú)特之處是它的壽命很長(zhǎng)，這一特性使得它可以應(yīng)用到對(duì)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能有較高要求的地方，例如交通燈。視覺(jué)處理系統(tǒng)需要聚焦，閃光，和單色光源——LED 非常適合應(yīng)用這種場(chǎng)合。LED 由于它簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，

　　光動(dòng)態(tài)調(diào)諧特性好，在臥室里，當(dāng)你要放松時(shí)，你可以將它設(shè)置成綠光，當(dāng)要看斗牛節(jié)目的時(shí)候，可以設(shè)置成紅光。

　　驅(qū)動(dòng)

　　LED 本質(zhì)是電流驅(qū)動(dòng)器件，也就是說(shuō)，它的光強(qiáng)度隨著正向電流IF 的變化而變化。光的顏色同樣也是由正向電流來(lái)決定，LED 正向電壓VF ，也會(huì)影響顏色的變化。于是，為了達(dá)到所需要光的顏色和亮度，有必要采用恒流驅(qū)動(dòng)LED。一個(gè)簡(jiǎn)單的LED 驅(qū)動(dòng)的框架可以由一個(gè)電壓源和一個(gè)限流電阻組成（圖2a）。這種方法最適合于窄輸入電源，小電流的應(yīng)用，這時(shí)候的LED 的正向壓降略低于輸入電壓。但是當(dāng)輸入電壓變化或者LED 的正向壓降升高時(shí)，電流就會(huì)變化，因此光的強(qiáng)度和顏色就會(huì)改變。

圖2：簡(jiǎn)單的LED 驅(qū)動(dòng)框圖

　　A．電源源和限流電阻 B.線性穩(wěn)壓電源 C.開(kāi)關(guān)電容 D. 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源常被應(yīng)用在降壓比率比較小的情況下，對(duì)LED 電流進(jìn)行緊密控制（如圖2b）。在要求小電流升高的情況下，可以利用開(kāi)關(guān)電容電路（圖3c）。

　　至于寬輸入范圍，大電流應(yīng)用，像上面的方法實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致功耗非常高，效率非常低。所以將需要更高效和相應(yīng)更復(fù)雜的解決方案，像開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源（圖2d）。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源通過(guò)切斷功率流和控制占空比大小來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制，這種方式可以得到有規(guī)律振動(dòng)的電流電壓?？梢詫㈤_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)置成隔離或非隔離的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓或電流的降低(buck)或升高(boost),或兩種功能同時(shí)發(fā)生(buck-boost)。

　　總之，設(shè)計(jì)者在選擇開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，在給定功率轉(zhuǎn)換要求下要對(duì)成本和性能進(jìn)行折中選擇。另一方面，為了正常驅(qū)動(dòng)LED，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)當(dāng)設(shè)置在恒流工作模式。