LED照明燈研究與設計

孫彥

（黑龍江農墾職業學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

1 LED的結構及發光原理

LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。

2 白光LED照明新光源的應用前景

隨著社會的進步，能源緊張成為一個不爭的事實，人們在節約和開發新能源上大做文章。普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜，但光效低（燈的熱效應白白耗電），壽命短，維護工作量大，但若用白光LED作照明，不僅光效高，而且壽命長，幾乎無需維護。目前，德國Hella公司利用白光LED開發了飛機閱讀燈；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。可以預見不久的將來，白光LED定會進入家庭取代現有的照明燈。

3 LED照明系統的電路設計

LED是電流控制元件，通過流過的電流，直接將電能轉變為光能，故也稱光電轉換器。因其不存在摩擦損耗和機械損耗，所以在節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電壓，它必須配置一個電壓轉換裝置，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計才能真正體現LED光源高效特性。

3.1 LED燈的連接方式

LED負載的連接形式直接關系到可靠性和使用壽命。一般有以下幾種連接方式：

3.1.1 串聯方式：LED采用全部串聯的方式，即將多個LED的正極對負極連接成串。將多個LED串在一起，需要電源提供很高的電壓。當一只LED的品質不良短路時，分配在剩余的LED兩端的電壓將升高，驅動器的輸出電流會增加，容易損壞余下所有的LED。如果是采用恒流源方式供電，不產生影響。但當一只LED品質不良斷開后，串聯在一起的LE D將全部不亮。

3.1.2 并聯方式：在并聯設計中，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。不會因一個LED斷路而引起整個照明系統失效。當某一只LED因為品質不良而斷開，如果采用恒流源方式供電，會加大余下的LED的電流。如果采用恒壓源的方式，則不影響。說明恒流源方式驅動LED不適合采用并聯負載。

3.1.3 混聯方式：在需要使用比較多的LED時，如果所有的LED串聯，將需要LED驅動器輸出較高的電壓；如果將所有的LED并聯，則需要LED驅動器輸出較大的電流。將所有的LED串聯或并聯，不但限制著LED的使用量，而且并聯LED負載電流較大，驅動器的成本也會增加。解決的辦法是混聯方式，所以我們采用的是混聯方式。

3.2 LED驅動電路性能分析

驅動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、開關器件的驅動和智能控制電路;四、反饋網絡和助電路。整個驅動電路的性能是由這幾部分的綜合效果，其中開關器件及其控制電路是決定功能性能的關鍵。下面簡單的介紹一下開關電路及其控制電路。

RCD箝位電路的設計如圖3-1所示。

圖3-1 RCD箝位電路

恒流反饋電路的原理與設計。恒流反饋電路是通過采樣電阻，把驅動LED的電流信號轉化為電壓信號，在對采樣電壓信號進行放大處理后送到控制芯片的反饋端口。

LM358芯片包括有兩個高增益、獨立的、內部頻率補償的雙運放，它的應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放的地方使用。所以我們選用放大器LM358實現恒流反饋。如圖3-2所示。

圖3-2利用LM358實現恒流

電容C1和電阻R4提供環路補償。采樣電阻Rsense一般取0.1Ω，使用運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。穩壓管D2可以在空載時，實現恒壓輸出，避免空載時損壞電路。同時在電路板做完后空載上電可以檢測電路是否正常。

4 實驗結果及展望

LED燈控制電路具有恒流控制、電流控制精度、過壓保護、欠壓保護、過流保護等功能。就通用室內照明應用，從成本考慮，大多設計功率在20W以內的LED燈管，從不斷增長的LED亮度來說20W符合未來LED照明光源發展要求。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驅動顯得越來越重要。用市電驅動大功率LED需要解決降壓和恒流問題，還要有比較高的轉換效率，有較小的體積，長時間工作，較低的成本，電磁干擾和功率因素等問題。如果能用交流(AC)直接驅動LED光源發光，系統應用方案將大大簡化，系統效率將很輕松地達到90%以上。用ACLED發光省去了成本不菲的AC/DC轉換器和恒流源，將展開全新的LED驅動概念。

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