LED照明燈研究與設(shè)計(jì)

孫彥

（黑龍江農(nóng)墾職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

2 白光LED照明新光源的應(yīng)用前景

隨著社會(huì)的進(jìn)步，能源緊張成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，人們?cè)诠?jié)約和開發(fā)新能源上大做文章。普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價(jià)格便宜，但光效低（燈的熱效應(yīng)白白耗電），壽命短，維護(hù)工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長(zhǎng)，幾乎無需維護(hù)。目前，德國(guó)Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機(jī)閱讀燈；澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明；我國(guó)的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈?？梢灶A(yù)見不久的將來，白光LED定會(huì)進(jìn)入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。

3 LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

LED是電流控制元件，通過流過的電流，直接將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，故也稱光電轉(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，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常使用，即LED專用電源。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專用電源，再加上合理的電路設(shè)計(jì)才能真正體現(xiàn)LED光源高效特性。

3.1 LED燈的連接方式

LED負(fù)載的連接形式直接關(guān)系到可靠性和使用壽命。一般有以下幾種連接方式：

3.1.1 串聯(lián)方式：LED采用全部串聯(lián)的方式，即將多個(gè)LED的正極對(duì)負(fù)極連接成串。將多個(gè)LED串在一起，需要電源提供很高的電壓。當(dāng)一只LED的品質(zhì)不良短路時(shí)，分配在剩余的LED兩端的電壓將升高，驅(qū)動(dòng)器的輸出電流會(huì)增加，容易損壞余下所有的LED。如果是采用恒流源方式供電，不產(chǎn)生影響。但當(dāng)一只LED品質(zhì)不良斷開后，串聯(lián)在一起的LE D將全部不亮。

3.1.2 并聯(lián)方式：在并聯(lián)設(shè)計(jì)中，需要電源提供較高的電流。該電路具有低電磁干擾、高效率的特點(diǎn)。不會(huì)因一個(gè)LED斷路而引起整個(gè)照明系統(tǒng)失效。當(dāng)某一只LED因?yàn)槠焚|(zhì)不良而斷開，如果采用恒流源方式供電，會(huì)加大余下的LED的電流。如果采用恒壓源的方式，則不影響。說明恒流源方式驅(qū)動(dòng)LED不適合采用并聯(lián)負(fù)載。

3.1.3 混聯(lián)方式：在需要使用比較多的LED時(shí)，如果所有的LED串聯(lián)，將需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓；如果將所有的LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)增加。解決的辦法是混聯(lián)方式，所以我們采用的是混聯(lián)方式。

3.2 LED驅(qū)動(dòng)電路性能分析

驅(qū)動(dòng)電路主要有以下幾大部分組成，一、整流濾波電流(供電電源是AC源)；二、主干能量變換電路；三、開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)和智能控制電路;四、反饋網(wǎng)絡(luò)和助電路。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的性能是由這幾部分的綜合效果，其中開關(guān)器件及其控制電路是決定功能性能的關(guān)鍵。下面簡(jiǎn)單的介紹一下開關(guān)電路及其控制電路。

RCD箝位電路的設(shè)計(jì)如圖3-1所示。

圖3-1 RCD箝位電路

恒流反饋電路的原理與設(shè)計(jì)。恒流反饋電路是通過采樣電阻，把驅(qū)動(dòng)LED的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，在對(duì)采樣電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理后送到控制芯片的反饋端口。

LM358芯片包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。所以我們選用放大器LM358實(shí)現(xiàn)恒流反饋。如圖3-2所示。

圖3-2利用LM358實(shí)現(xiàn)恒流

電容C1和電阻R4提供環(huán)路補(bǔ)償。采樣電阻Rsense一般取0.1Ω，使用運(yùn)算放大器的限流方式使電流采樣電壓最小化，從而降低了損耗，使效率提高。R1為TL431陰極提供回路。穩(wěn)壓管D2可以在空載時(shí)，實(shí)現(xiàn)恒壓輸出，避免空載時(shí)損壞電路。同時(shí)在電路板做完后空載上電可以檢測(cè)電路是否正常。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及展望

LED燈控制電路具有恒流控制、電流控制精度、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等功能。就通用室內(nèi)照明應(yīng)用，從成本考慮，大多設(shè)計(jì)功率在20W以內(nèi)的LED燈管，從不斷增長(zhǎng)的LED亮度來說20W符合未來LED照明光源發(fā)展要求。隨著大功率LED普遍在燈光裝飾和照明中的普遍使用，功率型LED驅(qū)動(dòng)顯得越來越重要。用市電驅(qū)動(dòng)大功率LED需要解決降壓和恒流問題，還要有比較高的轉(zhuǎn)換效率，有較小的體積，長(zhǎng)時(shí)間工作，較低的成本，電磁干擾和功率因素等問題。如果能用交流(AC)直接驅(qū)動(dòng)LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應(yīng)用方案將大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)效率將很輕松地達(dá)到90%以上。用ACLED發(fā)光省去了成本不菲的AC/DC轉(zhuǎn)換器和恒流源，將展開全新的LED驅(qū)動(dòng)概念。

[1]楊恒.LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)例精選[M].北京:中國(guó)電力出版社2008.1.

[2]葉良修.半導(dǎo)體物理[M]科學(xué)出版社1983.6.

[3]何樂年，王憶.模擬集成電路設(shè)計(jì)與仿真[M]科學(xué)出版社.2008.8.

[4]崔元日、潘蘇予.第四代照明光源-白光LED，燈與照明，Vol.28，No.2，p31-p34(2004).

[5]Abrahaml，Pressman.開關(guān)電源設(shè)計(jì)(Switching Power supply Design)[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社.2005.