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LED光源在工程应用中的一些常识

    作者：宏拓新软件
    发布日期：2007-11-10         
阅读：141     
 
 
珠海市南宇星电子有限公司 林少芝
一、关于LED光源应用的简介：
LED照明行业是一个新兴的行业，它以其独特的优点深受人们的青睐。如今在光电工程中，提高光效，节约能源和高可靠性已经成为人们共同追求的目的。我们在讨论和使用LED光源时，都会想到LED的寿命长、节约能源、亮度高等特点。也正是因为如此LED光源才倍受欢迎。LED光源虽有以上优点，却并不如人们所说的那么神奇。只有给其配上合适、高效的LED电源、合理的电路设计、完善的防静电措施、正确的安装工艺才能充分发挥和利用LED光源的以上优点。下面我就LED光源在工程应用中的一些常识做简单的介绍，供大家参考。
二、LED寿命的理解
LED的使用寿命，一般认为在理想状态下有10万小时。实际在使用过程中其光强会随使用时间的推移逐渐衰减，即电能转化为光能的效率逐渐降低。我们能真正使用的有效光强范围应在其衰减到初始光强的70%以上时，寿命是否可以定义为光效逐渐降低至70%的时间段。目前还没有明确的国家标准用来衡量。而且LED的使用寿命与其芯片的质量和封装技术、工艺直接相关，据某LED封装厂的试验数据有些芯片在20mA条件下连续点亮4000小时后其光亮度衰减已达50%。但是随着技术、工艺的提高，光衰时间越来越缓慢，即寿命也越长。
三、LED的节能及可靠性
LED是电流控制元件，通过流过的电流，直接将电能转变为光能，故也称光电转换器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节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样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常使用，即LED专用电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED专用电源，才能真正体现LED光源高效特性。因为低效率的LED电源本身就需要消耗大量电能，在配合LED的使用过程中根本就体现不出LED的高效节能特性。而且LED电源也必须是高可靠性电源，才能使LED光源系统长寿命。
四、LED的基本特性及使用时的注意事项
1．光电特性：
LED在其电流极限参数范围内流过LED的电流越大，它的发光亮度越高。即LED的亮度与通过LED的电流成正比。但绿光和蓝光及白光在大电流情况下会出现饱和现象，不仅发光效率大幅降低，而且使用寿命也会缩短。
2． 光学特性
LED按颜色分有红、橙、黄、绿、蓝、紫、白等多种颜色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等，同种芯片在不同的封装方式下，它的亮度也不相同。按人的视觉可分为可见光和不可见光。按发光颜色的多少可分为单色、双色、七彩等多种类型。色彩的纯度不同价格相差很大，现行的纯白色LED价格特贵。同时发光视角不同，光效亦不同，使用时特需注意。
3． 常见的LED电性能参数
（1）LED正向电压
不同颜色的LED在额定的正向电流条件下，有着各自不同的正向压降值，红、黄色：1.8~2.5V之间，绿色和蓝色：2.7~4.0V之间。对于同种颜色的LED，其正向压降和光强也不是完全一致的。如下表：
LED 型号：5 4HCA
发光颜色 外观颜色 波长 λD(nm) 正向电压VF 亮度Iv(mcd)
IF=20mA
Min. Max.
红色 水透明 645~660 1.8 2.5 50~300
黄绿色 水透明 570~575 1.8 2.5 50~300
黄色 水透明 585~590 1.8 2.5 500~5000
蓝色 水透明 455~475 2.7 4.0 500~7000
绿色 水透明 515~535 2.7 4.0 2000~10000
蓝绿色 水透明 490~515 2.7 4.0 2000~10000
白色 水透明 - 2.7 4.0 3000~15000
在同一电路中应该尽量使用在额定电流条件下正向压降值相同、光强范围小的LED。只有这样才能保证LED的发光效果一致。其具体的电性参数可依各封装厂每包装提供的产品分光参数标签值。（有些公司每批分选都不一致）
（2）LED的额定工作电流
LED的额定电流各不相同，普通的LED电流一般为20mA，大功率的LED电流一般为40 mA 或350 mA不等。具体要按各封装厂提供的电流参数值。
一般LED在反向电压：VR=5V的条件下，反向电流：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，
所以必须根据所选择的LED，设计合理的使用电路和配置合适的LED数量，使其完全满足LED电源的额定值，如果设计的电路使每个LED分担电压或电流过高就会严重影响LED的使用寿命甚至烧毁LED，如果分担的电压或电流过低则激发的LED光强不够，就不能充分发挥LED应有的效果，达不到我们所期望的目的。
4． 温度特性
（1）LED的焊接温度应在250℃以下，焊接时间控制在3~5S之间。要注意避免LED温度过高从而使芯片受损。
（2）LED的亮度输出与温度成反比，温度不仅影响LED的亮度，也影响它的寿命。使用中尽量减少电路发热，并做一定的散热处理。
5． 防静电特性
LED装配过程中必须加强防静电措施，因为操作过程和人体本身都会产生静电，对于双电极的LED最易被静电反向击穿，从而严重影响LED的使用寿命甚至使其完全报废。
如防静电环境不是非常完善，可以给LED使用者增加防静电腕带，设置良好的防静电接地系统，离子风机等设备。
五、LED连接电路的常见形式
1．串联：这种电路需要电源提供较高的电压。
V总=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4------+VF N
I总=单颗LED的IF值
2． 并联：这种电路需要电源能提供较高的电流。
V总=单颗LED的VF 值
I总=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4------+IFN
3． 串联/并联组合
a、 在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列；
b、 将LED连接成串联/并联组合的形式，可大幅减低因少数LED的VF不一致造成的影响；
c、 阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化。
d、 串联/并联组合的形式会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著；




4． 为了能有效控制电路中的电流，须在电路中配置适当的限流电阻。
R=（V输入电压-VLED总电压）/I（流过限流电阻的电流）
限流电阻的作用主要是控制LED的电流，使电压更平滑，并使各并联支路的亮度更均匀。限流电阻阻值大效果较好，但是限流电阻的取值也不能太大，否则会增加电能的损耗及元件温度升高。
六、电源的分类及特性
1、按驱动方式可分为两大类：
（1）恒流式：
a、 恒流驱动电路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；
b、 恒流电路不怕负载短路，但严禁负载完全开路。
c、 恒流驱动电路驱动LED是较为理想的，但相对而言价格较高。
d、 应注意所使用最大承受电流及电压值，它限制了LED的使用数量；
（2）稳压式：
a、 当稳压电路中的各项参数确定以后，输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的增减而变化；
b、 稳压电路不怕负载开路，但严禁负载完全短路。
c、 以稳压驱动电路驱动LED，每串需要加上合适的电阻方可使每串LED显示亮度平均；
d、 亮度会受整流而来的电压变化影响。
2、按电路结构方式分类
（1）电阻、电容降压方式：通过电容降压，在闪动使用时，由于充放电的作用，通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片。易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低。（见图一）





（2）电阻降压方式：通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，不容易做成稳压电源，降压电阻要消耗很大部分的能量，所以这种供电方式电源效率很低，而且系统的可靠也较低。（见图二）
（3）常规变压器降压方式：电源体积小、重量偏重、电源效率也很低、一般只有45%～60%，所以一般很少用，可靠性不高。




（4）电子变压器降压方式：电源效率较低，电压范围也不宽，一般180～240V，波纹干扰大。






（5）RCC降压方式开关电源：稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可以做到70%～80%，应用也较广。由于这种控制方式的振荡频率是不连续，开关频率不容易控制，负载电压波纹系数也比较大，异常负载适应性差。





（6）PWM控制方式开关电源：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稳压控制部分、开关能量转换部分。PWM开关稳压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压或电流稳定（即相应稳压电源或恒流电源）。电源效率极高，一般可以做到80%～90%，输出电压、电流稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。





从以上介绍可以看出PWM控制方式设计的LED电源是比较理想的LED电源。目前珠海市南宇星电子公司生产的“金兴”牌LED开关电源就是PWM控制技术的开关电源，该类LED电源经用户使用反映效果很好。
七、工程中的简易计算方法
1. 由已知电源功率计算LED的数量
(即取所得数据的整数) （7-1）
例：额定输出功率为10W电源，使用额定的正向电流20mA，耗散功率为70mW条件下可配置多少个LED？
依以上公式
(即取所得数据的整数)
2. 对于恒压驱动方式：由已知的输出电源电压计算每支路串联LED数量及并联支路数
（1）计算每条支路的LED个数 公式： (最大值)
（2）计算并联支路数 公式:
注：VLED值依不同发光颜色各有不同，用稳压电源驱动LED时，为了控制电流，通常需要串联电阻器。
例：一个额定输出电压为DC 24V,功率为10W电源，使用额定正向电流20mA，耗散功率为70mW额定的正向电压为1.8V。可配置多少个LED呢？
依以上公式可以得出
(即取所得数据的整数)



即可以带10组支路，每支路14个LED串联构成的电路，共140个LED。
3. 对于恒流驱动方式：由已知的电源输出电流及LED的电流值计算出并联支路数及每支路数量

（1）计算并联的支路数公式： (最小值)
（2）计算支路串接LED个数:
注：其中n按（7-1）计算
例：一个额定输出电流为DC 0.35A，额定功率为10W电源，驱动耗散功率为70mW，正向电流为0.02A的LED，可怎样配置？
依以上公式可以得出
并联支数路：
(即取所得数据的整数)
每支路串接数：个数
即可以带17组，每组8个LED串接，共136个LED。
4. 线路损耗及线路压降的计算
P电线=I R V电线=IR
R电线=σ （备注：L为电线长度；S为电线横截面积；σ为电线电导率）也可以查电工手册。
例：用长度为10米（正、负极电线各5米），24AWG的铜芯电线，通过电流为2A，其损耗的功率及线路压降为多少?
查电工手册可知：R电线 = 0.737W
V电线 = 2×0.737 =1.474V
P电线 = 2 ×0.737 = 2.948W
从以上计算可以看出，线路电流较大时，要注意选择合适的导线截面，否则线路损耗及线路压降是相当大的。
我们只有完全了解LED和LED电源的基本特性，才能正确设计和使用LED光源。
 

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