LED日光燈、頂燈" border="0" height="339" src="http://files.chinaaet.com/images/20110823/2747e66b-1f3f-44a0-9b1d-603806187851.jpg" width="450" />

　　一、LED基礎(chǔ)知識

　　1、LED發(fā)光原理

　　LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的簡稱。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)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(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。隨著科技的進步，出現(xiàn)了可以發(fā)出類似白熾燈光色的LED，這就為現(xiàn)代照明提供了一種壽命長，效率高的照明光源，最為可貴的是，LED器件具有長達5萬以至10萬小時以上壽命，適合多種場合應(yīng)用的特點。

　　2、LED的特點

　　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，而是必須通過傳導(dǎo)方式散出，這也是LED被稱為冷光源的原因。LED具有以下優(yōu)點：

　　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。一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時耗1度電）

　　超長壽命：半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時以上（普通白熾燈使用壽命僅有數(shù)百小時，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時）

　　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)流器會產(chǎn)生電磁干擾，且燈管中照樣存在汞元素）

　　保護視力：直流驅(qū)動，無頻閃（普通燈都是交流驅(qū)動，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）

　　市場潛力大：低壓、直流供電，電池、太陽能供電即可，可用于邊遠山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。

　　根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，半導(dǎo)體發(fā)光二極管照明將在未來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，科技進步必然造成市場總體容量快速增長。技術(shù)人員經(jīng)測量發(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、體積小等優(yōu)點，專家們稱其為人類照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。根據(jù)美國能源部的預(yù)計，傳統(tǒng)照明器件的徹底更新?lián)Q代將在2010年開始啟動。日、美、歐、韓等國均已正式啟動LED照明" title="LED照明">LED照明戰(zhàn)略計劃。據(jù)報道，今年在我國上海召開的世博會上許多發(fā)達國家展館已全面使用了LED作為照明光源。在我國，LED的應(yīng)用也處于蓬蓬勃勃的發(fā)展階段，但是由于我國沒有掌握大功率LED的核心技術(shù)，國內(nèi)目前還處于進口半導(dǎo)體芯片，國內(nèi)封裝階段，因此從價格上相對于國外還處于高位，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)，在達到其發(fā)光電壓值時，LED開始發(fā)光，繼續(xù)增加電壓時，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，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)計者充分注意的要點。

　　圖一 功率為1W的LED芯片正向驅(qū)動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)動電流與輸出亮度的關(guān)系，從中可以看出，驅(qū)動電流與流明輸出在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)動電流超過線性范圍時，每瓦產(chǎn)生的流明效率將會降低，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。當(dāng)驅(qū)動電流超過線性范圍時，會導(dǎo)致輸出功率從LED轉(zhuǎn)換為熱能形式，此種熱能會成為LED驅(qū)動器的負擔(dān)，增加熱能設(shè)計的復(fù)雜度，并降低LED壽命。所以對于1W功率的LED器件，其正向驅(qū)動電流不超過350mA。 對于目前常用的Ф5小功率LED燈珠，正向電流不超過20mA。對于3W大功率LED芯片，正向電流不宜超過700mA。

　　二、LED設(shè)計基礎(chǔ)

　　1、LED驅(qū)動電源" title="驅(qū)動電源">驅(qū)動電源的設(shè)計要點

　　根據(jù)LED的特性，其安全的使用方法是采用恒流式驅(qū)動， 恒流驅(qū)動電路特點是：輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高。

　　細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，目前市場上以LED為主要器件的成品，大多采用簡單的電容降壓方式，通過電容達到恒流作用，這類產(chǎn)品有一個致命的缺點，那就是往往在開關(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，微分電路的時間參數(shù)t=0.7RC，則在t的充放電的瞬間，流過LED的瞬間電流極大（可能達到正常電流的數(shù)十倍以至數(shù)百倍），造成瞬間永久性的損壞芯片。

　　一個可靠性較高的LED驅(qū)動電路如圖二（比較適合二手LED串聯(lián)應(yīng)用）：

　　圖二可靠性較高的LED驅(qū)動電路圖

　　這個電路中，C 1可以省略，另外U1可以用價格低廉的普通二極管代替，該電路的缺點在于其效率較低，當(dāng)使用數(shù)十個（65個以下）以上的發(fā)光管串聯(lián)時，效率較高。本電路還可以簡化，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，恒定電流為20mA。

　　理論上LED都是能發(fā)光的二極管，而實際上所有LED的電性能都是不一樣的，特別對于電子愛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LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流是不完全相同的，或者相差很大，此時設(shè)計者就需要針對實際情況加以分析采用最合理的設(shè)計方案，才可能達到最有效的可靠性及經(jīng)濟效益。

　　由于LED屬于電流型器件，嚴格的說只能采用串聯(lián)工作方式，在并聯(lián)工作狀態(tài)下，必須對所并聯(lián)的發(fā)光管進行帥選，不論并聯(lián)的管子多少，實踐證明管壓降差不得超過0.005V，否則很容易造成損壞。前幾年我國市場上出現(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，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)的手電筒在價格上則直線下降，到了幾乎無人問津的地步，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，可靠性差才是問題的關(guān)鍵了。

　　最為理想的LED驅(qū)動電路是PWM恒流控制方式的開關(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、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)穩(wěn)流的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(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措施，屬高可靠性電源。其缺點在于成本較高。

　　2、LED的散熱解決方案

　　LED的散熱問題也是設(shè)計者必須考慮的關(guān)鍵問題，LED的光衰與LED的工作時間和工作電流以及LED工作時的溫度有關(guān)。正確工作狀態(tài)下LED的工作壽命至少可以達到5萬小時以上，一般達到10萬甚至幾十萬是很輕松的，然而一旦出現(xiàn)環(huán)境溫度過高，工作電流過大，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)用時可以不必考慮散熱的問題，但是目前工作電流達60—150mA的中功率LED已經(jīng)出現(xiàn)，這時就要求設(shè)計者不得不考慮LED正常工作中的散熱問題，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行散熱，但是對更大功率如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)光二極管工作時溫度與電流曲線

　　大多數(shù)電子愛好者都知道，PN結(jié)半導(dǎo)體器件正在向?qū)ê螅Y(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即：-2mv/℃，稱PN結(jié)的負溫度效應(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，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，見圖三，電流曲線Ⅰ，溫度下降至-40℃時，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，達不到場所所需的照度。

　　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)機風(fēng)冷降溫或者LED采用恒流源的供電方式，不會因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。實踐證明，用于大功率LED燈（如廣告背景燈、街燈），家散熱器確實是行之有效的措施。但LED燈進入尋常百姓家就碰到如下問題了：散熱板，風(fēng)冷能否集約在一個普通燈頭的空間；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”整個系統(tǒng)的可靠性則將取決于某種如溫升等“短板”了。

　　《無線電》雜志介紹過的南京華巨電子有限公司專為LED應(yīng)用研制的具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻與負溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個溫度系數(shù)極小電阻型負載是一個廉價且效果不錯的選擇。一旦工作電壓確定后，串聯(lián)回路中的電流，將不會隨溫度變化而變化，通俗地說，當(dāng)LED隨溫度升高電流增加時，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，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，LED的最佳工作電流不會明顯變化，見圖二電流曲線Ⅱ。（串入熱敏電阻的電流曲線Ⅱ，與沒有串入熱敏電阻的電流曲線Ⅰ對照圖）從圖一可以看到，采用熱敏電阻溫度補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的恒流問題，其價格、體積、壽命等優(yōu)勢也不言而喻。

　　該公司產(chǎn)正溫度熱敏電阻WMZD常用規(guī)格見表一。

　　表一

　　WMZD LED恒流源補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)用以達到提高可靠性的作用。

　　3、220V交流LED驅(qū)動電路

　　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，請考慮穩(wěn)壓措施。

　　LED燈220V交流供電的基本電路

　　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12組，計算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，反之可減去一只LED，將電流升上去。該LED燈實耗功率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84%。整組燈亮度接近8W熒光燈。本方案基本電路簡單，可靠，高效，具有實用性。

　　220V橋式整流后不需要按常規(guī)并聯(lián)慮波電介電容，LED可用脈動電流驅(qū)動發(fā)光，橋式整流后的電流是每秒100個連續(xù)正弦波，過零時間非常短，不會感覺有頻閃現(xiàn)。并聯(lián)電容后，雖對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，其壽命遠遠低于LED，因此不用為宜。

　　4、LED照明設(shè)計技巧

　　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。

　　晶體管三極管13002與220K電位器（帶開關(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）時近無功耗，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)光臺燈，也可按下圖線路圖接法，無需改動雙向可控硅調(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。對光敏感的人可能會有頻閃感。實物見照片1.

　　做個室內(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）或0.3W/100mA的LED，來達到提高亮度的需求。

　　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。

　　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 汽車車燈

　　以上LM317、LM1117屬壓降型DC/DC轉(zhuǎn)換，在輸入與輸出壓差較小時首選應(yīng)用，但壓差越大，轉(zhuǎn)換效率越低，此時應(yīng)選用開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換電路，34063是一塊通用、易購、價廉（0.60~0.80元/片）的開關(guān)升、降壓集成電路，外圍電路元件較少，見下圖

　　用于汽車LED車燈，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，分別可做成汽車尾燈、轉(zhuǎn)向燈、側(cè)燈。選擇組合2、3時，計算工作電壓＝2×（0.5V＋VF}，調(diào)正R2的阻值將輸出電壓調(diào)到相應(yīng)計算電壓值（空載），接入負載后（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，應(yīng)將電流微調(diào)到560~600mA。R2調(diào)正好后，防止阻值變動，應(yīng)用固定電阻替代。

　　LED日光燈、頂燈