簡析ＬＥＤ發(fā)光源工作工作原理及其應(yīng)用

易　文　靳生梅　徐立林

中圖分類號：TN212

TP211+.6文獻標識碼：A文章編號：1673-0992(2009)10-103-01

摘要：隨著世界能源的一次次告急，全人類的節(jié)能意識越來越增強，而節(jié)省電力資源又是重中之重。本文簡要介紹分析了21世紀用以代替白熾燈泡的LED發(fā)光二極管的工作原理及特性以及其驅(qū)動器的分類等知識點。

關(guān)鍵字：LED發(fā)光源；工作原理；照明節(jié)能；驅(qū)動器分類

一、LED發(fā)光源工作原理及特性

發(fā)光二極管是半導(dǎo)體材料合成的二極管，由PN接口組成，當外加正向電壓時，電子與電洞結(jié)合以光子形式釋出能量，因此具有發(fā)光特性。而其光源在靠近PN接口毫米以內(nèi)產(chǎn)生，發(fā)光的波長取決于材料之特性而有不同發(fā)光顏色，常見有紅、黃、綠、藍發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)光亮度可以通過工作電壓(電流)的大小來調(diào)節(jié)。在很大的工作電流范圍內(nèi)，發(fā)光二極管的亮度隨電流的增大而提高。

二、LED照明節(jié)能考慮

發(fā)光二極管照明優(yōu)點是節(jié)能、安全，但由于恒定電流工作考慮，能耗亦相對增加，因此照明系統(tǒng)設(shè)計以低能耗為目標。前面提到恒流驅(qū)動器的壓降在2V以內(nèi)，即是考慮低能耗的設(shè)計，若系統(tǒng)的電源端電壓與串接發(fā)光二極管壓降超過2V以上，則需考慮以電壓轉(zhuǎn)換器來達到低能耗目標，但仍維持恒定電流工作模式。低能耗的電壓轉(zhuǎn)換器是以開關(guān)式方式工作，依據(jù)反饋電路控制開關(guān)周期，達到穩(wěn)定輸出電壓。但為了維持發(fā)光二極管恒定電流工作狀態(tài)，反饋電路是以輸出電流來控制轉(zhuǎn)換器開關(guān)周期。

三、LED驅(qū)動器分類

目前市場上典型的LED驅(qū)動器包括兩類，即線性驅(qū)動器和開關(guān)驅(qū)動器；進一步細分，則有三種，分別是開關(guān)穩(wěn)壓器、線性穩(wěn)壓器和電阻型驅(qū)動器。這三種驅(qū)動器分別適合不同等級的電流應(yīng)用，見圖1。如電流大于500 mA的大電流應(yīng)用采用開關(guān)穩(wěn)壓器，因為線性驅(qū)動器限于自身結(jié)構(gòu)原因，無法提供這樣大的電流；而在電流低于200 mA的低電流應(yīng)用中，通常采用線性穩(wěn)壓器及電阻型驅(qū)動器；而在200至500 mA的中等電流應(yīng)用中，既可以采用線性穩(wěn)壓器，也可以采用開關(guān)穩(wěn)壓器。

開關(guān)穩(wěn)壓器的能效高，并提供極佳的亮度控制。線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)比較簡單，易于設(shè)計，提供穩(wěn)流及過流保護，具有外部電流設(shè)定點，且沒有電磁兼容性(EMC)問題。電阻型驅(qū)動器利用電阻這樣的簡單分立器件，限制LED串電流，是一種經(jīng)濟的LED驅(qū)動方案，同樣易于設(shè)計，且沒有EMC問題。

四、低電流LED應(yīng)用

新的線性恒流穩(wěn)壓器適合20mA至200mA的低電流LED應(yīng)用。如在汽車應(yīng)用中，組合尾燈的電流要求通常只有數(shù)十毫安(mA)。此外，在廣告牌文字電路、背光顯示牌等商業(yè)及工業(yè)應(yīng)用中，輸入電壓通常為高至30 Vdc，而LED電流在20mA至150mA之間。而在裝飾照明、工作燈、景觀照明、柜臺照明等建筑物及通用照明應(yīng)用中，輸入電壓通常為12至48 Vac或120 220 Vac，而LED電流也僅在20至100 mA之間。此外，電冰箱和洗衣機等家用電器中也采用LED為小型LCD顯示屏背光或替代照明燈泡，這類應(yīng)用同樣需要低電流的LED驅(qū)動器。 在低電流LED應(yīng)用中，電阻型驅(qū)動器盡管成本較低且結(jié)構(gòu)簡單，但這種驅(qū)動器在低電壓條件下，正向電流較低，會導(dǎo)致LED亮度不足，且在負載突降等瞬態(tài)條件下，LED可能受損。而且，這種解決方案需要恰當?shù)腖ED編碼(binning)，電阻庫存大，且能效低。與電阻型驅(qū)動器相比，線性恒流穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電流，在寬電壓范圍下提供恒定亮度，在高輸入電壓時保護LED，使其免于過驅(qū)動，在低輸入電壓時提供更高的亮度。而得益于其恒流特性，客戶可以減少或消除源自不同供應(yīng)商提供的不同LED的編碼成本，使系統(tǒng)總成本更低。 作為一種既環(huán)保又節(jié)能的解決方案，LED照明在汽車、家庭、辦公樓、酒店、機場和路燈等廣泛的應(yīng)用場合找到了自己的用武之地。但它的大規(guī)模商用除了還要克服成本障礙以外，還需要解決調(diào)光閃爍、散熱、色彩均勻性等技術(shù)難題。此外，對清潔能源的關(guān)注和太陽能電池板成本的下降，也帶動了當前業(yè)內(nèi)的太陽能商用熱潮。據(jù)悉，自2010年起，歐、美、日等先進國家相繼開始執(zhí)行禁用白熾燈泡之法令，其法令原由乃基于限制低發(fā)光效率的光源。白熾燈泡被禁用，取而代之的光源包括省電燈泡、冷陰極管、LED等。但未來如再考慮對有害物質(zhì)的限制考慮，LED光源將成為最佳選擇。