一、LED基礎知識
1、LED發(fā)光原理
LED(Light Emitting Diode)是發(fā)光二極管的簡稱。隨著科技的進步，出現了可以發(fā)出類似白熾燈光色的LED，這就為現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，適合多種場合應用的特點。
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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產生的熱量不是靠輻射散出，而是必須通過傳導方式三出，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)流器會產生電磁干擾，且燈管中照樣存在汞元素)
保護視力：直流驅動，無頻閃(普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃)
光效率高：發(fā)熱小:90%的電能轉化為可見光(普通白熾燈80%的電能轉化為熱能，僅有20%電能轉化為光能)
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。
根據國際權威機構預測，半導體發(fā)光二極管照明將在未來5-10年內取代現有傳統(tǒng)光源，當然這將取決于白光LED更加便宜，科技進步必然造成市場總體容量快速增長。技術人員經測量發(fā)現，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。根據美國能源部的預計，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照明戰(zhàn)略計劃。據報道，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，國內目前還處于進口半導體芯片，國內封裝階段，因此從價格上相對于國外還處于高位，應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的關鍵因素，需要設計者充分注意的要點。
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圖一所示是功率為1W的LED芯片正向驅動電流與輸出亮度的關系，從中可以看出，驅動電流與流明輸出在350mA范圍內呈現明顯的線性關系。但是，隨著正向電流的增加，兩者之間漸漸出現非線性關系。當驅動電流超過線性范圍時，每瓦產生的流明效率將會降低，而在線性范圍內，每瓦產生的流明數將呈現上升的趨勢。當驅動電流超過線性范圍時，會導致輸出功率從LED轉換為熱能形式，此種熱能會成為LED驅動器的負擔，增加熱能設計的復雜度，并降低LED壽命。所以對于1W功率的LED器件，其正向驅動電流不超過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設計基礎
1、LED驅動電源的設計要點
根據LED的特性，其安全的使用方法是采用恒流式驅動， 恒流驅動電路特點是：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，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，這類產品有一個致命的缺點，那就是往往在開關電源的瞬間，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)光管內阻等等效于微分電路中的電阻，微分電路的時間參數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十倍以至數百倍)，造成瞬間永久性的損壞芯片。
一個可靠性較高的LED驅動電路如圖一(比較適合二手LED串聯(lián)應用)：
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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，當使用數十個(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)光強度與驅動電流是不完全相同的，或者相差很大，此時設計者就需要針對實際情況加以分析采用最合理的設計方案，才可能達到最有效的可靠性及經濟效益。
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了許多由7、9甚至更多的LED并聯(lián)生產的手電筒，曾經也風光一時，但是自出現了單只管子的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，關鍵在于技術方式落后，可靠性差才是問題的關鍵了。
最為理想的LED驅動電路是PWM恒流控制方式的開關電源，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、開關能量轉換部分。PWM開關穩(wěn)流的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數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，調節(jié)主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電流穩(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的散熱問題也是設計者必須考慮的關鍵問題，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。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已經出現，這時就要求設計者不得不考慮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。
圖二是LED發(fā)光二極管工作時溫度與電流曲線
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大多數電子愛好者都知道，PN結半導體器件正在向導通后，結電壓VF隨環(huán)境溫度上升而下降，即：-2mv/℃，稱PN結的負溫度效應，利用該特性可制成溫度傳感器，但該特性在發(fā)光應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，當環(huán)境溫度升到85℃，結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35-37mA，見圖二,電流曲線Ⅰ,溫度下降至-40℃時，結電壓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象，一般在LED的相關產品上，通常需要采用一些措施。如將LED裝在散熱板上，或風機風冷降溫或者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“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應用研制的具有正溫度系數的熱敏電阻與負溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個溫度系數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。當匹配得當，當環(huán)境溫度在-40℃~85℃范圍內變化時，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。
該公司產正溫度熱敏電阻WMZD常用規(guī)格見表一.
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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，讀者完全可以根據需要靈活選擇應用以達到提高可靠性的作用。
3、220V交流LED驅動電路
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轉換的直流電源，請考慮穩(wěn)壓措施。
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LED燈220V交流供電的基本電路
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LED燈220V交流供電的基本電路，220V經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。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照明設計技巧
LED是冷光源,可選用色彩繽紛的塑料口杯、咖啡杯當燈罩，做成情調各異的裝飾杯燈、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調光臺燈、杯燈
如將上圖電路稍作改變，變成LED直流調光燈,如下圖
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晶體管三極管13002與220K電位器(帶開關)組合成調光電阻，當燈全亮時，回路電流20mA，13002導通(壓降0.7v)時近無功耗，當燈半亮時10mA，13002耗0.34W，當燈低亮時5mA，13002耗0.26W，該電路簡單可靠，調光效果好,制作成本極低。如家中有白織燈調光臺燈，也可按下圖線路圖接法，無需改動雙向可控硅調光電路，就可變成LED交流調光燈，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.
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LED日光燈、頂燈
做個室內日光燈或頂燈電路，用了60只LED相當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16w熒光燈。并聯(lián)成三路，用180只LED，可相當25W熒光燈，以此類推。因用市電220V直接整流輸出，電源內阻極小，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，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。
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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轉換，在輸入與輸出壓差較小時首選應用，但壓差越大，轉換效率越低，此時應選用開關型DC/DC轉換電路，34063是一塊通用、易購、價廉(0.60~0.80元/片)的開關升、降壓集成電路，外圍電路元件較少，見下圖
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用于汽車LED車燈，輸入電壓12V，輸出電壓1.25~8V可調，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、轉向燈、側燈。選擇組合2、3時,計算工作電壓=2×(0.5V+VF}，調正R2的阻值將輸出電壓調到相應計算電壓值(空載)，接入負載后(滿載)，再加大R2的阻值，將回路電流微調到280~300mA，選擇組合3時，應將電流微調到560~600mA。R2調正好后，防止阻值變動，應用固定電阻替代。