LED照明制作基础学习

一、led基础知识
1、led发光原理
led(light emitting diode)是发光二极管的简称。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。
图1
图一所示是功率为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
1、led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60—150ma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。
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。
3、220v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。
led灯220v交流供电的基本电路
led灯220v交流供电的基本电路,220v经1a桥式整流后,接入由热敏电阻a20和5只led/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)×12=234v,(式中3v是恒流用5a20的压降,3.3v是led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12只a20,共耗用0.72w,直接用于发光的60只led,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。
4、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13002与220k电位器(带开关)组合成调光电阻,当灯全亮时,回路电流20ma,13002导通(压降0.7v)时近无功耗,当灯半亮时10ma,13002耗0.34w,当灯低亮时5ma,13002耗0.26w,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60只led相当8w荧光灯的亮度,明显不够,如并联成二路,用120只led,可相当16w荧光灯。并联成三路,用180只led,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)或0.3w/100ma的led,来达到提高亮度的需求。
led 手电筒
下图是用于3.6v的.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(或3.4v)的led与5b100组成的单元电路,与电源电压3.6v(或4.0v)匹配。
led 汽车车灯
以上lm317、lm1117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元/片)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 300ma的led,按亮度需要可从1颗led、2颗led、4颗led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2、3时,计算工作电压=2×(0.5v+vf},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560~600ma。r2调正好后,防止阻值变动,应用固定电阻替代。

同步信号的提取及行场计数器电路
科技行业裁员持续,就业市场趋稳
浅谈2018年led产业的十三个期待
一加手机也将要采用无线充电技术
Doug Field被曝离职,加盟苹果无人车
LED照明制作基础学习
专访ONAP董事会总裁王亚晨:中国移动促成ONAP成立
工信部:积极考虑将5G、集成电路等重点领域纳入“十四五”国家专项规划
南航首架A359飞机已正式开始首航将执飞广州至上海虹桥航线
微软新SurfaceGo即将推出 搭载Corem3处理器
拉力试验机可以分为几种类型-贝尔试验设备
单片机复位电路的工作原理 单片机上电复位电路图分享
警用无人机在二广高速公路龙门站上空执勤,抓拍交通违法行为28例
小米5G手机代表作,骁龙865+6400万四摄+5000mAh
串联电池组电压测量电路原理分析
DS1000系列开关式直流稳压电源的原理介绍
保护(IIS)web服务器的15个技巧
ZDS3024电源测试定制版示波器路测试结果分析
中国科学院半导体研究所在反型结构钙钛矿太阳能电池取得重要进展
基于Micro-LED的未来照明、显示与通信技术