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)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(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)5萬以至10萬小時(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)：

1）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）

2）超長(zhǎng)壽命：半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動(dòng)，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬小時(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)）

3）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）

4）保護(hù)視力：直流驅(qū)動(dòng)，無頻閃（普通燈都是交流驅(qū)動(dòng)，就必然產(chǎn)生頻閃）

5）光效率高：發(fā)熱小:90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光（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）

6）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年開始啟動(dòng)。日、美、歐、韓等國(guó)均已正式啟動(dòng)LED照明戰(zhàn)略計(jì)劃。據(jù)報(bào)道，今年在我國(guó)上海召開的世博會(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，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)。

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

上圖所示是功率為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350mA。對(duì)于目前常用的Ф5小功率LED燈珠，正向電流不超過20mA。對(duì)于3W大功率LED芯片，正向電流不宜超過700mA。

二、LED設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、LED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。

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)電路如下圖：

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

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(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)行篩選，不論并聯(lián)的管子多少，實(shí)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(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，到了幾乎無人問津的地步，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、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(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)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度，使得開關(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的散熱問題也是設(shè)計(jì)者必須考慮的關(guān)鍵問題，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5萬小時(shí)以上，一般達(dá)到10萬甚至幾十萬是很輕松的，然而一旦出現(xiàn)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(yīng)用時(shí)可以不必考慮散熱的問題，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。

下圖是LED發(fā)光二極管工作時(shí)溫度與電流曲線

圖片源自網(wǎng)絡(luò)

大多數(shù)電子愛好者都知道，PN結(jié)半導(dǎo)體器件正在向?qū)ê螅Y(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，見圖二,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），加裝散熱器確實(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。

<現(xiàn)在可以找到的可以參考的LED電路設(shè)計(jì)資料較多，這里不做贅述>

LED作為光源，還有一個(gè)非常重要的參數(shù)，那就是LED的色溫，下面我們利用本期專題收尾的時(shí)間，也來了解一下有關(guān)光源色溫的一些知識(shí)~

光源LED色溫不同,光色也不同,LED色溫在3300K以下有穩(wěn)重的氣氛,溫暖的感覺;LED色溫在3000--5000K為中間LED色溫,有爽快的感覺;LED色溫在5000K以上有冷的感覺.不同光源的不同光色組成最佳環(huán)境。

LED色溫的定義

以絕對(duì)溫度K來表示，即把標(biāo)準(zhǔn)黑體加熱，溫度升高到一定程度時(shí)該黑體顏色開始深紅-淺紅-橙黃-白-藍(lán)，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時(shí)，我們把黑體當(dāng)?shù)慕^對(duì)溫度稱為該光源的LED色溫。

不同光源環(huán)境下的LED色溫：

下面是一般常見照明燈具所采用的LED色溫

鹵素?zé)?3000k

鎢絲燈 2700k

高壓鈉燈 1950-2250k

蠟燭光 2000k

金屬鹵化物燈 4000-4600k

冷色熒光燈 4000-5000k

高壓汞燈 3450-3750k

暖色熒光燈 2500-3000k

晴空 8000-8500k

陰天 6500-7500k

夏日正午陽(yáng)光 5500k

下午日光 4000k

LED色溫的特性

1.在高緯度的地區(qū),LED色溫較高，所見到的顏色偏藍(lán)。

2.在低緯度的地區(qū),LED色溫較低，所見到的顏色偏紅。

( <---- 低LED色溫 ------------------ 高LED色溫 ----> )

3.在一天之中，LED色溫亦有變化，當(dāng)太陽(yáng)光斜射時(shí),能量被( 云層、空氣 )吸收較多,所以LED色溫較低。當(dāng)太陽(yáng)光直射時(shí),能量被吸收較少,所以LED色溫較高。

4.Windows 的 sRGB 色彩模型是以 6500 K 做為標(biāo)準(zhǔn)LED色溫,以 D65 表示之。

5.清晨的LED色溫大約在 4400 K。

6.高山上LED色溫大約在 6000 K

LED各種顏色的照明應(yīng)用

1、白色光有完美的顏色特性，但它會(huì)損害適應(yīng)暗光的視覺，一定光源熄滅后需要一定的時(shí)間來重新適應(yīng)。

LED色溫在3300K以下，光色偏紅給以溫暖的感覺；有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的覺；當(dāng)采用低LED色溫光源照射時(shí)，能使紅色更鮮艷。

LED色溫在3000--6000K為中間，人在此色調(diào)下無特別明顯的視覺心理效，有爽快的感覺；所以稱為"中性"LED色溫。當(dāng)采用中LED色溫光源照射時(shí)，使藍(lán)色具有清涼感。

LED色溫超過6000K，光色偏藍(lán)，給人以清冷的感覺，當(dāng)采用高LED色溫光源照時(shí)，使物體有冷的感覺

2、紅色光通常是用作夜視。紅光不會(huì)引起你瞳孔過分收縮和一旦紅光熄滅時(shí)眼睛不需要重新適應(yīng)黑暗。紅色也通常在單色相片處理被用作為“安全”顏色因?yàn)樗粫?huì)損壞正在沖印的底片黃色光有著紅色光和白色光的一些優(yōu)點(diǎn)。黃色光另外一優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)你閱讀時(shí)減少因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間閱讀而導(dǎo)致眼睛疲勞的反射和眩目的光。

3、綠色光也可以用作為夜視，綠色光還特別適用于在夜晚的時(shí)候閱讀地圖或圖表。它還不那么容易被夜視裝備發(fā)現(xiàn)，便很容易被人眼發(fā)現(xiàn)，綠色光的亮度比紅色光低。

4、藍(lán)色光可被用作在夜晚閱讀地圖和通常很受軍事人員青睞，因?yàn)樗{(lán)色光增加了對(duì)比度的水平。它還可以用作戲院和演出時(shí)的后臺(tái)工作燈色。

5、藍(lán)綠光有著相似綠光和藍(lán)光的夜視優(yōu)點(diǎn)，但隨著藍(lán)綠光的顏色特性的提高，一些用戶因?yàn)檫@個(gè)原因喜歡用藍(lán)綠光。

6、紅外線紅光是與夜視裝備一起使用的。否則人的眼睛是看不到紅外線光的。

7、紫外光通常是用作識(shí)別鈔票是否偽造，一些紫外發(fā)光二極管照明物在夜總會(huì)和派對(duì)上很受歡迎，它們被用來使熒光物質(zhì)發(fā)出更亮的光。

LED色溫的對(duì)比

1700 K: 火柴光

1850 K: 蠟燭

2800 K: 鎢燈 (白熾燈)

3350 K: 演播室”CP”燈

3400 K: 演播室臺(tái)燈, 照相泛光燈（不是閃光燈）, 等…

4100 K: 月光