LED相关知识

一、LED基础知识

1、LED发光原理

LED（LightEmittingDiode）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。

上图所示是功率为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-5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 -EDan出根据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。

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驱动电路如下图:

这个电路中，C1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。

下图是LED发光二极管工作时温度与电流曲线

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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1,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），加装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。

＜现在可以找到的可以参考的LED电路设计资料较多，这里不做赘述＞

LED作为光源，还有一个非常重要的参数，那就是LED的色温，下面我们利用本期专题收尾的时间，也来了解一下有关光源色温的一些知识~ 光源LED色温不同,光色也不同,LED色温在3300K以下有稳重的气氛,温暖的感觉;LED色温在3000--5000K为中间LED色温，有爽快的感觉;LED色温在5000K以上有冷的感觉.不同光源的不同光色组成最佳环境。

LED色温的定义

以绝对温度K来表示，即把标准黑体加热，温度升高到一定程度时该黑体颜色开始深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们把黑体当的绝对温度称为该光源的LED色温。

不同光源环境下的LED色温：

下面是一般常见照明灯具所采用的LED色温

卤素灯3000k

钨丝灯2700k

高压钠灯1950-2250k

蜡烛光2000k

金属卤化物灯4000-4600k

冷色营光灯4000-5000k

高压汞灯3450-3750k

暖色萤光灯2500-3000k

晴空8000-8500k

阴天6500-7500k

夏日正午阳光5500k

下午日光4000k

LED色温的特性

1 .在高纬度的地区,LED色温较高，所见到的颜色偏蓝。

2 .在低纬度的地区,LED色温较低，所见到的颜色偏红。

（<----低LED色温高LED色温---->）

3 .在一天之中，LED色温亦有变化，当太阳光斜射时，能量被（云层、空气）吸收较多，所以LED色温较低。当太阳光直射时，能量被吸收较少，所以LED色温较高。

4 .Windows的sRGB色彩模型是以6500K做为标准LED色温,以D65表示之。

5 .清晨的LED色温大约在4400K。

6 .高山上LED色温大约在6000K

LED各种颜色的照明应用