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LED光源在工程應(yīng)用中的一些常識(shí)

    作者：宏拓新軟件
    發(fā)布日期：2007-11-10         
閱讀：82     
 
 
珠海市南宇星電子有限公司 林少芝
一、關(guān)于LED光源應(yīng)用的簡(jiǎn)介：
LED照明行業(yè)是一個(gè)新興的行業(yè)，它以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)深受人們的青睞。如今在光電工程中，提高光效，節(jié)約能源和高可靠性已經(jīng)成為人們共同追求的目的。我們?cè)谟懻摵褪褂肔ED光源時(shí)，都會(huì)想到LED的壽命長(zhǎng)、節(jié)約能源、亮度高等特點(diǎn)。也正是因?yàn)槿绱薒ED光源才倍受歡迎。LED光源雖有以上優(yōu)點(diǎn)，卻并不如人們所說(shuō)的那么神奇。只有給其配上合適、高效的LED電源、合理的電路設(shè)計(jì)、完善的防靜電措施、正確的安裝工藝才能充分發(fā)揮和利用LED光源的以上優(yōu)點(diǎn)。下面我就LED光源在工程應(yīng)用中的一些常識(shí)做簡(jiǎn)單的介紹，供大家參考。
二、LED壽命的理解
LED的使用壽命，一般認(rèn)為在理想狀態(tài)下有10萬(wàn)小時(shí)。實(shí)際在使用過(guò)程中其光強(qiáng)會(huì)隨使用時(shí)間的推移逐漸衰減，即電能轉(zhuǎn)化為光能的效率逐漸降低。我們能真正使用的有效光強(qiáng)范圍應(yīng)在其衰減到初始光強(qiáng)的70%以上時(shí)，壽命是否可以定義為光效逐漸降低至70%的時(shí)間段。目前還沒(méi)有明確的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)衡量。而且LED的使用壽命與其芯片的質(zhì)量和封裝技術(shù)、工藝直接相關(guān)，據(jù)某LED封裝廠(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有些芯片在20mA條件下連續(xù)點(diǎn)亮4000小時(shí)后其光亮度衰減已達(dá)50%。但是隨著技術(shù)、工藝的提高，光衰時(shí)間越來(lái)越緩慢，即壽命也越長(zhǎng)。
三、LED的節(jié)能及可靠性
LED是電流控制元件，通過(guò)流過(guò)的電流，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽室卜Q(chēng)光電轉(zhuǎn)換器。因其不存在摩擦損耗和機(jī)械損耗，所以在節(jié)能方面比一般的光源的效率高，但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置，提供滿(mǎn)足其額定的電壓、電流，才能正常使用，即LED專(zhuān)用電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉(zhuǎn)換效率各不相同，所以選擇合適、高效的LED專(zhuān)用電源，才能真正體現(xiàn)LED光源高效特性。因?yàn)榈托实腖ED電源本身就需要消耗大量電能，在配合LED的使用過(guò)程中根本就體現(xiàn)不出LED的高效節(jié)能特性。而且LED電源也必須是高可靠性電源，才能使LED光源系統(tǒng)長(zhǎng)壽命。
四、LED的基本特性及使用時(shí)的注意事項(xiàng)
1．光電特性：
LED在其電流極限參數(shù)范圍內(nèi)流過(guò)LED的電流越大，它的發(fā)光亮度越高。即LED的亮度與通過(guò)LED的電流成正比。但綠光和藍(lán)光及白光在大電流情況下會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，不僅發(fā)光效率大幅降低，而且使用壽命也會(huì)縮短。
2． 光學(xué)特性
LED按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫、白等多種顏色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等，同種芯片在不同的封裝方式下，它的亮度也不相同。按人的視覺(jué)可分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。按發(fā)光顏色的多少可分為單色、雙色、七彩等多種類(lèi)型。色彩的純度不同價(jià)格相差很大，現(xiàn)行的純白色LED價(jià)格特貴。同時(shí)發(fā)光視角不同，光效亦不同，使用時(shí)特需注意。
3． 常見(jiàn)的LED電性能參數(shù)
（1）LED正向電壓
不同顏色的LED在額定的正向電流條件下，有著各自不同的正向壓降值，紅、黃色：1.8~2.5V之間，綠色和藍(lán)色：2.7~4.0V之間。對(duì)于同種顏色的LED，其正向壓降和光強(qiáng)也不是完全一致的。如下表：
LED 型號(hào)：5 4HCA
發(fā)光顏色 外觀顏色 波長(zhǎng) λD(nm) 正向電壓VF 亮度Iv(mcd)
IF=20mA
Min. Max.
紅色 水透明 645~660 1.8 2.5 50~300
黃綠色 水透明 570~575 1.8 2.5 50~300
黃色 水透明 585~590 1.8 2.5 500~5000
藍(lán)色 水透明 455~475 2.7 4.0 500~7000
綠色 水透明 515~535 2.7 4.0 2000~10000
藍(lán)綠色 水透明 490~515 2.7 4.0 2000~10000
白色 水透明 - 2.7 4.0 3000~15000
在同一電路中應(yīng)該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強(qiáng)范圍小的LED。只有這樣才能保證LED的發(fā)光效果一致。其具體的電性參數(shù)可依各封裝廠(chǎng)每包裝提供的產(chǎn)品分光參數(shù)標(biāo)簽值。（有些公司每批分選都不一致）
（2）LED的額定工作電流
LED的額定電流各不相同，普通的LED電流一般為20mA，大功率的LED電流一般為40 mA 或350 mA不等。具體要按各封裝廠(chǎng)提供的電流參數(shù)值。
一般LED在反向電壓：VR=5V的條件下，反向電流：IR≤10µA。
（3）LED的功率
LED功率的大小也各不相同，有70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W等，
所以必須根據(jù)所選擇的LED，設(shè)計(jì)合理的使用電路和配置合適的LED數(shù)量，使其完全滿(mǎn)足LED電源的額定值，如果設(shè)計(jì)的電路使每個(gè)LED分擔(dān)電壓或電流過(guò)高就會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED，如果分擔(dān)的電壓或電流過(guò)低則激發(fā)的LED光強(qiáng)不夠，就不能充分發(fā)揮LED應(yīng)有的效果，達(dá)不到我們所期望的目的。
4． 溫度特性
（1）LED的焊接溫度應(yīng)在250℃以下，焊接時(shí)間控制在3~5S之間。要注意避免LED溫度過(guò)高從而使芯片受損。
（2）LED的亮度輸出與溫度成反比，溫度不僅影響LED的亮度，也影響它的壽命。使用中盡量減少電路發(fā)熱，并做一定的散熱處理。
5． 防靜電特性
LED裝配過(guò)程中必須加強(qiáng)防靜電措施，因?yàn)椴僮鬟^(guò)程和人體本身都會(huì)產(chǎn)生靜電，對(duì)于雙電極的LED最易被靜電反向擊穿，從而嚴(yán)重影響LED的使用壽命甚至使其完全報(bào)廢。
如防靜電環(huán)境不是非常完善，可以給LED使用者增加防靜電腕帶，設(shè)置良好的防靜電接地系統(tǒng)，離子風(fēng)機(jī)等設(shè)備。
五、LED連接電路的常見(jiàn)形式
1．串聯(lián)：這種電路需要電源提供較高的電壓。
V總=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4------+VF N
I總=單顆LED的IF值
2． 并聯(lián)：這種電路需要電源能提供較高的電流。
V總=單顆LED的VF 值
I總=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4------+IFN
3． 串聯(lián)/并聯(lián)組合
a、 在實(shí)際運(yùn)用中，負(fù)載常采用通過(guò)串并聯(lián)形成的LED陣列；
b、 將LED連接成串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式，可大幅減低因少數(shù)LED的VF不一致造成的影響；
c、 陣列形式或LED個(gè)數(shù)變化，限流電阻也應(yīng)相應(yīng)變化。
d、 串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式會(huì)使輸出電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度等因素而發(fā)生的變化更加顯著；




4． 為了能有效控制電路中的電流，須在電路中配置適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?BR>R=（V輸入電壓-VLED總電壓）/I（流過(guò)限流電阻的電流）
限流電阻的作用主要是控制LED的電流，使電壓更平滑，并使各并聯(lián)支路的亮度更均勻。限流電阻阻值大效果較好，但是限流電阻的取值也不能太大，否則會(huì)增加電能的損耗及元件溫度升高。
六、電源的分類(lèi)及特性
1、按驅(qū)動(dòng)方式可分為兩大類(lèi)：
（1）恒流式：
a、 恒流驅(qū)動(dòng)電路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；
b、 恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開(kāi)路。
c、 恒流驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED是較為理想的，但相對(duì)而言?xún)r(jià)格較高。
d、 應(yīng)注意所使用最大承受電流及電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量；
（2）穩(wěn)壓式：
a、 當(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項(xiàng)參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化；
b、 穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開(kāi)路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。
c、 以穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均；
d、 亮度會(huì)受整流而來(lái)的電壓變化影響。
2、按電路結(jié)構(gòu)方式分類(lèi)
（1）電阻、電容降壓方式：通過(guò)電容降壓，在閃動(dòng)使用時(shí)，由于充放電的作用，通過(guò)LED的瞬間電流極大，容易損壞芯片。易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，電源效率低、可靠性低。（見(jiàn)圖一）





（2）電阻降壓方式：通過(guò)電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，不容易做成穩(wěn)壓電源，降壓電阻要消耗很大部分的能量，所以這種供電方式電源效率很低，而且系統(tǒng)的可靠也較低。（見(jiàn)圖二）
（3）常規(guī)變壓器降壓方式：電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。




（4）電子變壓器降壓方式：電源效率較低，電壓范圍也不寬，一般180～240V，波紋干擾大。






（5）RCC降壓方式開(kāi)關(guān)電源：穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高，一般可以做到70%～80%，應(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù)，開(kāi)關(guān)頻率不容易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大，異常負(fù)載適應(yīng)性差。





（6）PWM控制方式開(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)壓控制部分、開(kāi)關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓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)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定（即相應(yīng)穩(wěn)壓電源或恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電壓、電流穩(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。





從以上介紹可以看出PWM控制方式設(shè)計(jì)的LED電源是比較理想的LED電源。目前珠海市南宇星電子公司生產(chǎn)的“金興”牌LED開(kāi)關(guān)電源就是PWM控制技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源，該類(lèi)LED電源經(jīng)用戶(hù)使用反映效果很好。
七、工程中的簡(jiǎn)易計(jì)算方法
1. 由已知電源功率計(jì)算LED的數(shù)量
(即取所得數(shù)據(jù)的整數(shù)) （7-1）
例：額定輸出功率為10W電源，使用額定的正向電流20mA，耗散功率為70mW條件下可配置多少個(gè)LED？
依以上公式
(即取所得數(shù)據(jù)的整數(shù))
2. 對(duì)于恒壓驅(qū)動(dòng)方式：由已知的輸出電源電壓計(jì)算每支路串聯(lián)LED數(shù)量及并聯(lián)支路數(shù)
（1）計(jì)算每條支路的LED個(gè)數(shù) 公式： (最大值)
（2）計(jì)算并聯(lián)支路數(shù) 公式:
注：VLED值依不同發(fā)光顏色各有不同，用穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，為了控制電流，通常需要串聯(lián)電阻器。
例：一個(gè)額定輸出電壓為DC 24V,功率為10W電源，使用額定正向電流20mA，耗散功率為70mW額定的正向電壓為1.8V�？膳渲枚嗌賯�(gè)LED呢？
依以上公式可以得出
(即取所得數(shù)據(jù)的整數(shù))



即可以帶10組支路，每支路14個(gè)LED串聯(lián)構(gòu)成的電路，共140個(gè)LED。
3. 對(duì)于恒流驅(qū)動(dòng)方式：由已知的電源輸出電流及LED的電流值計(jì)算出并聯(lián)支路數(shù)及每支路數(shù)量

（1）計(jì)算并聯(lián)的支路數(shù)公式： (最小值)
（2）計(jì)算支路串接LED個(gè)數(shù):
注：其中n按（7-1）計(jì)算
例：一個(gè)額定輸出電流為DC 0.35A，額定功率為10W電源，驅(qū)動(dòng)耗散功率為70mW，正向電流為0.02A的LED，可怎樣配置？
依以上公式可以得出
并聯(lián)支數(shù)路：
(即取所得數(shù)據(jù)的整數(shù))
每支路串接數(shù)：個(gè)數(shù)
即可以帶17組，每組8個(gè)LED串接，共136個(gè)LED。
4. 線(xiàn)路損耗及線(xiàn)路壓降的計(jì)算
P電線(xiàn)=I R V電線(xiàn)=IR
R電線(xiàn)=σ （備注：L為電線(xiàn)長(zhǎng)度；S為電線(xiàn)橫截面積；σ為電線(xiàn)電導(dǎo)率）也可以查電工手冊(cè)。
例：用長(zhǎng)度為10米（正、負(fù)極電線(xiàn)各5米），24AWG的銅芯電線(xiàn)，通過(guò)電流為2A，其損耗的功率及線(xiàn)路壓降為多少?
查電工手冊(cè)可知：R電線(xiàn) = 0.737W
V電線(xiàn) = 2×0.737 =1.474V
P電線(xiàn) = 2 ×0.737 = 2.948W
從以上計(jì)算可以看出，線(xiàn)路電流較大時(shí)，要注意選擇合適的導(dǎo)線(xiàn)截面，否則線(xiàn)路損耗及線(xiàn)路壓降是相當(dāng)大的。
我們只有完全了解LED和LED電源的基本特性，才能正確設(shè)計(jì)和使用LED光源。
 

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