一篇文章超全概述LED基础知识

一、LED基础知识

1、LED发光原理

LED（Light Emitting Diode）是发光二极管的简称。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

随着科技的进步，出现了可以发出类似白炽灯光色的LED，这就为现代照明提供了一种寿命长，效率高的照明光源，最为可贵的是，LED器件具有长达5万以至10万小时以上寿命，适合多种场合应用的特点。

2、LED的特点

LED发出的光与自然光不同，其频谱不是连续的，缺少红外部分，所以与白炽灯不同，LED产生的热量不是靠辐射散出，而是必须通过传导方式散出，这也是LED被称为冷光源的原因。

LED具有以下优点：

高效节能：白光LED是目前已知的最为节能的白光光源器件。一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）

超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时以上（普通白炽灯使用寿命仅有数百小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）

绿色环保：不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰，且灯管中照样存在汞元素）

保护视力：直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

光效率高：发热小：90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）

市场潜力大：低压、直流供电，电池、太阳能供电即可，可用于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。

根据国际权威机构预测，半导体发光二极管照明将在未来5-10年内取代现有传统光源，当然这将取决于白光LED更加便宜，科技进步必然造成市场总体容量快速增长。技术人员经测量发现，在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的1／10，寿命则是白炽灯的100倍。

由于LED具有节能、环保、寿命长、体积小等优点，专家们称其为人类照明史上继白炽灯和荧光灯之后的又一次飞跃。根据美国能源部的预计，传统照明器件的彻底更新换代将在2010年开始启动。日、美、欧、韩等国均已正式启动LED照明战略计划。

据报道，今年在我国上海召开的世博会上许多发达国家展馆已全面使用了LED作为照明光源。在我国，LED的应用也处于蓬蓬勃勃的发展阶段，但是由于我国没有掌握大功率LED的核心技术，国内目前还处于进口半导体芯片，国内封装阶段，因此从价格上相对于国外还处于高位，应用也就稍加受到影响。

3、LED发光二极管的电气特性

LED处于正向工作状态，在达到其发光电压值时，LED开始发光，继续增加电压时，LED发光亮度急剧增加，如再略增加电压，LED则可能瞬间烧毁，由此可见，LED属于一种电流器件。

正是这一特性，决定了LED必须在恒流状态下才能安全工作，这是LED器件在使用上与其他光源不一致的主要方面，也是安全使用LED的关键因素，需要设计者充分注意的要点。

上图所示是功率为1W的LED芯片正向驱动电流与输出亮度的关系，从中可以看出，驱动电流与流明输出在350mA范围内呈现明显的线性关系。但是，随着正向电流的增加，两者之间渐渐出现非线性关系。

当驱动电流超过线性范围时，每瓦产生的流明效率将会降低，而在线性范围内，每瓦产生的流明数将呈现上升的趋势。当驱动电流超过线性范围时，会导致输出功率从LED转换为热能形式，此种热能会成为LED驱动器的负担，增加热能设计的复杂度，并降低LED寿命。

所以对于1W功率的LED器件，其正向驱动电流不超过350mA。对于目前常用的Ф5小功率LED灯珠，正向电流不超过20mA。对于3W大功率LED芯片，正向电流不宜超过700mA。

二、LED设计基础

1、LED驱动电源的设计要点

根据LED的特性，其安全的使用方法是采用恒流式驱动，恒流驱动电路特点是：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。

目前市场上以LED为主要器件的成品，大多采用简单的电容降压方式，通过电容达到恒流作用，这类产品有一个致命的缺点，那就是往往在开关电源的瞬间，一下子将LED器件全部烧毁，其原因在于，电容器的充放电特性造成的。

在这里电容器处于微分电路的电容，发光管内阻等等效于微分电路中的电阻，微分电路的时间参数t=0.7RC，则在t的充放电的瞬间，流过LED的瞬间电流极大（可能达到正常电流的数十倍以至数百倍），造成瞬间永久性的损坏芯片。

一个可靠性较高的LED驱动电路如下图：

这个电路中，C 1可以省略，另外U1可以用价格低廉的普通二极管代替，该电路的缺点在于其效率较低，当使用数十个（65个以下）以上的发光管串联时，效率较高。本电路还可以简化，取消U1及C1，Q1基极直接与R1下端相连即可，稳定流为0.6/R1决定，当R1取30欧姆时，恒定电流为20mA。

理论上LED都是能发光的二极管，而实际上所有LED的电性能都是不一样的，特别对于电子爱好者容易得到的二手LED，每支LED的阀值Vf都有差异，这就是说LED的发光强度与驱动电流是不完全相同的，或者相差很大，此时设计者就需要针对实际情况加以分析采用最合理的设计方案，才可能达到最有效的可靠性及经济效益。

由于LED属于电流型器件，严格的说只能采用串联工作方式，在并联工作状态下，必须对所并联的发光管进行帅选，不论并联的管子多少，实践证明管压降差不得超过0.005V，否则很容易造成损坏。

前几年我国市场上出现了许多由7、9甚至更多的LED并联生产的手电筒，曾经也风光一时，但是自出现了单只管子的1W、3W、5W的LED手电筒之后，这种以串联方式生产的手电筒在价格上则直线下降，到了几乎无人问津的地步，恐怕就不完全是手电筒外形等原因了，关键在于技术方式落后，可靠性差才是问题的关键了。

最为理想的LED驱动电路是PWM恒流控制方式的开关电源，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稳流控制部分、开关能量转换部分。

PWM开关稳流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流稳定（即恒流电源）。

电源效率极高，一般可以做到80%～90%，输出电流相当稳定。一般这种电路都有完善的保护措施，属高可靠性电源。其缺点在于成本较高。

2、LED的散热解决方案

LED的散热问题也是设计者必须考虑的关键问题，LED的光衰与LED的工作时间和工作电流以及LED工作时的温度有关。正确工作状态下LED的工作寿命至少可以达到5万小时以上，一般达到10万甚至几十万是很轻松的。

然而一旦出现环境温度过高，工作电流过大，则将造成LED的寿命急剧下降，甚至造成永久的损坏。一般的小功率LED应用时可以不必考虑散热的问题，但是目前工作电流达60—150mA的中功率LED已经出现，这时就要求设计者不得不考虑LED正常工作中的散热问题。

好在外径8mm，工作电流为150mA的一种发白光的LED其管脚比较粗，基本上可以利用其粗壮的管脚进行散热，但是对更大功率如1W及以上的3W、5W甚至10W以上的LED则必须加散热片才算是正常的工作环境。

下图是LED发光二极管工作时温度与电流曲线

大多数电子爱好者都知道，PN结半导体器件正在向导通后，结电压VF随环境温度上升而下降，即：-2mv/℃，称PN结的负温度效应，利用该特性可制成温度传感器，但该特性在发光应用上却是致命的缺陷，直接影响它的发光效率。

发光亮度、发光色度。通俗举例，常温25℃时，选择LED最佳工作电流20mA，当环境温度升到85℃，结电压VF下降，工作电流急剧增加到35-37mA，见图二，电流曲线Ⅰ，温度下降至-40℃时，结电压VF上升，最佳工作电流将从20mA减小8-10mA.，发光亮度也随电流的减少而降低，达不到场所所需的照度。

为了避免上述不良现象，一般在LED的相关产品上，通常需要采用一些措施。如将LED装在散热板上，或风机风冷降温或者LED采用恒流源的供电方式，不会因LED随温度上升引起电流增加，防止PN结恶性升温，或两种方法并用。

实践证明，用于大功率LED灯（如广告背景灯、街灯），加装散热器确实是行之有效的措施。但LED灯进入寻常百姓家就碰到如下问题了：散热板，风冷能否集约在一个普通灯头的空间；采用集成电路或诸多元器件组成的恒流源电路，它的寿命和可靠性将不取决LED，根据“木桶理论”整个系统的可靠性则将取决于某种如温升等“短板”了。

《现在可以找到的可以参考的LED电路设计资料较多，这里不做赘述》

LED作为光源，还有一个非常重要的参数，那就是LED的色温，下面我们利用本期专题收尾的时间，也来了解一下有关光源色温的一些知识~

光源LED色温不同，光色也不同，LED色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉;LED色温在3000--5000K为中间LED色温，有爽快的感觉;LED色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境。

LED色温的定义

以绝对温度K来表示，即把标准黑体加热，温度升高到一定程度时该黑体顏色开始深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的顏色相同时，我们把黑体当的绝对温度称为该光源的LED色温。

不同光源环境下的LED色温：

下面是一般常见照明灯具所采用的LED色温

卤素灯 3000k

钨丝灯 2700k

高压钠灯 1950-2250k

蜡烛光 2000k

金属卤化物灯 4000-4600k

冷色营光灯 4000-5000k

高压汞灯 3450-3750k

暖色萤光灯 2500-3000k

晴空 8000-8500k

阴天 6500-7500k

夏日正午阳光 5500k

下午日光 4000k

LED色温的特性

1.在高纬度的地区，LED色温较高，所见到的颜色偏蓝。

2.在低纬度的地区，LED色温较低，所见到的颜色偏红。

（ 《---- 低LED色温 ------------------ 高LED色温 ----》 ）

3.在一天之中，LED色温亦有变化，当太阳光斜射时，能量被（ 云层、空气 ）吸收较多，所以LED色温较低。当太阳光直射时，能量被吸收较少，所以LED色温较高。

4.Windows 的 sRGB 色彩模型是以 6500 K 做为标准LED色温，以 D65 表示之。

5.清晨的LED色温大约在 4400 K。

6.高山上LED色温大约在 6000 K

LED各种颜色的照明应用

1.白色光有完美的颜色特性，但它会损害适应暗光的视觉，一定光源熄灭后需要一定的时间来重新适应。

LED色温在3300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖的觉；当采用低LED色温光源照射时，能使红色更鲜艳。

LED色温在3000--6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效，有爽快的感觉；所以称为“中性”LED色温。当采用中LED色温光源照射时，使蓝色具有清凉感。

LED色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，当采用高LED色温光源照时，使物体有冷的感觉

2.红色光通常是用作夜视。红光不会引起你瞳孔过分收缩和一旦红光熄灭时眼睛不需要重新适应黑暗。红色也通常在单色相片处理被用作为“安全”颜色因为它不会损坏正在冲印的底片黄色光有着红色光和白色光的一些优点。黄色光另外一优点就是当你阅读时减少因为长时间阅读而导致眼睛疲劳的反射和眩目的光。

3.绿色光也可以用作为夜视，绿色光还特别适用于在夜晚的时候阅读地图或图表。它还不那么容易被夜视装备发现，便很容易被人眼发现，绿色光的亮度比红色光低。

4.蓝色光可被用作在夜晚阅读地图和通常很受军事人员青睐，因为蓝色光增加了对比度的水平。它还可以用作戏院和演出时的后台工作灯色。

5.蓝绿光有着相似绿光和蓝光的夜视优点，但随着蓝绿光的颜色特性的提高，一些用户因为这个原因喜欢用蓝绿光。

6.红外线红光是与夜视装备一起使用的。否则人的眼睛是看不到红外线光的。

7.紫外光通常是用作识别钞票是否伪造，一些紫外发光二极管照明物在夜总会和派对上很受欢迎，它们被用来使荧光物质发出更亮的光。

LED色温的对比

1700 K： 火柴光

1850 K： 蜡烛

2800 K： 钨灯 （白炽灯）

3350 K： 演播室”CP”灯

3400 K： 演播室台灯， 照相泛光灯（不是闪光灯）， 等…

4100 K： 月光

5000 K： 日光

5500 K： 平均日光， 电子闪光 （因厂商而异）

5770 K： 有效太阳温度

6420 K： 氙弧灯

6500 K： 日光

9300 K： 电视屏幕（模拟）

编辑：jq