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LED照明制作专集(1)

2010-04-28 13:49:09   来源:www.ele169.com    查看次数:17255         

一、LED基础知识

1LED发光原理

LEDLight 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。

2LED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三出,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110,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。

3LED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。

                     1

图一所示是功率为1WLED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

1LED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驱动电路如图一(比较适合二手LED串联应用):

                                 图一

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U1C1Q1基极直接与R1下端相连即可,稳定流为0.6/R1决定,当R130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79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1W3W5WLED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。

2LED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60150mA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3W5W甚至10W以上的LED则必须加散热片才算是正常的工作环境。

图二是LED发光二极管工作时温度与电流曲线

                                图二

   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,见图二,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.

 

 

       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。

3220V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。

 

 

LED220V交流供电的基本电路

 

       LED220V交流供电的基本电路,220V1A桥式整流后,接入由热敏电阻A205LED/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)×12234V(式中3V是恒流用5A20的压降,3.3VLED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12A20,共耗用0.72W,直接用于发光的60LED,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。
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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13002220K电位器(带开关)组合成调光电阻,当灯全亮时,回路电流20mA13002导通(压降0.7v)时近无功耗,当灯半亮时10mA130020.34W,当灯低亮时5mA130020.26W,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.


 

        LED日光灯、顶灯
      
做个室内日光灯或顶灯电路,用了60LED相当8W荧光灯的亮度,明显不够,如并联成二路,用120LED,可相当16w荧光灯。并联成三路,用180LED,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)0.3W/100mALED,来达到提高亮度的需求。

LED 手电筒

    下图是用于3.6V.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(3.4V)LED5B100组成的单元电路,与电源电压3.6V(4.0V)匹配。

LED 汽车车灯

   以上LM317LM1117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/)的开关升、降压集成电路,外围电路元件较少,见下图

 

     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 300mALED,按亮度需要可从1LED2LED4LED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23,计算工作电压=0.5VVF},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560~600mAR2调正好后,防止阻值变动,应用固定电阻替代。

本文摘选自《电子制作》2010年第5期.

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