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(shí)

　　1、LED發(fā)光原理

　　LED（Light Emitting Diode）是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)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(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(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" title="LED照明">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" title="驅(qū)動(dòng)電源">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)溫度與電流曲線

　　大多數(shù)電子愛(ài)好者都知道,，PN結(jié)半導(dǎo)體器件正在向?qū)ê?，結(jié)電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即：-2mv/℃,，稱PN結(jié)的負(fù)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(shí)，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(jiàn)圖三,，電流曲線Ⅰ，溫度下降至-40℃時(shí),，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(dá)不到場(chǎng)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(jī)風(fēng)冷降溫或者LED采用恒流源的供電方式,，不會(huì)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(shí)踐證明，用于大功率LED燈（如廣告背景燈,、街燈）,，家散熱器確實(shí)是行之有效的措施,。但LED燈進(jìn)入尋常百姓家就碰到如下問(wèn)題了：散熱板，風(fēng)冷能否集約在一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的可靠性則將取決于某種如溫升等“短板”了,。

　　《無(wú)線電》雜志介紹過(guò)的南京華巨電子有限公司專為L(zhǎng)ED應(yīng)用研制的具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻與負(fù)溫度特性的LED串聯(lián),，組成一個(gè)溫度系數(shù)極小電阻型負(fù)載是一個(gè)廉價(jià)且效果不錯(cuò)的選擇。一旦工作電壓確定后,，串聯(lián)回路中的電流,，將不會(huì)隨溫度變化而變化，通俗地說(shuō),，當(dāng)LED隨溫度升高電流增加時(shí),，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(shí),，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(shí),，LED的最佳工作電流不會(huì)明顯變化，見(jiàn)圖二電流曲線Ⅱ,。（串入熱敏電阻的電流曲線Ⅱ,，與沒(méi)有串入熱敏電阻的電流曲線Ⅰ對(duì)照?qǐng)D）從圖一可以看到，采用熱敏電阻溫度補(bǔ)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(wèn)題，其價(jià)格,、體積,、壽命等優(yōu)勢(shì)也不言而喻。

　　該公司產(chǎn)正溫度熱敏電阻WMZD常用規(guī)格見(jiàn)表一,。

　　表一

　　WMZD LED恒流源補(bǔ)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(dá)到提高可靠性的作用,。

　　3,、220V交流LED驅(qū)動(dòng)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(qǐng)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(jì)12組，計(jì)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(jì)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(cè)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(lái),，反之可減去一只LED，將電流升上去,。該LED燈實(shí)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(dá)84%,。整組燈亮度接近8W熒光燈,。本方案基本電路簡(jiǎn)單，可靠,，高效,，具有實(shí)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(dòng)電流驅(qū)動(dòng)發(fā)光,，橋式整流后的電流是每秒100個(gè)連續(xù)正弦波，過(guò)零時(shí)間非常短,，不會(huì)感覺(jué)有頻閃現(xiàn),。并聯(lián)電容后，雖對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于LED,，因此不用為宜,。

　　4、LED照明設(shè)計(jì)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(tái)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(shí)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(tái)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(kāi)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(shí)近無(wú)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(jiǎn)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(tái)燈，也可按下圖線路圖接法,，無(wú)需改動(dòng)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(duì)光敏感的人可能會(huì)有頻閃感,。實(shí)物見(jiàn)照片1.

　　做個(gè)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(huì)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(yú)）或0.3W/100mA的LED，來(lái)達(dá)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(shí)首選應(yīng)用，但壓差越大,，轉(zhuǎn)換效率越低,，此時(shí)應(yīng)選用開(kāi)關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換電路，34063是一塊通用,、易購(gòu),、價(jià)廉（0.60~0.80元/片）的開(kāi)關(guān)升、降壓集成電路,，外圍電路元件較少,，見(jiàn)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(shí)，計(jì)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(jì)算電壓值（空載）,，接入負(fù)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(shí)，應(yīng)將電流微調(diào)到560~600mA,。R2調(diào)正好后,，防止阻值變動(dòng)，應(yīng)用固定電阻替代,。

　　LED日光燈,、頂燈