1、LED發光原理

LED（Light Emitting Diode）是發光二極管的簡稱。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光。

隨著科技的進步，出現了可以發出類似白熾燈光色的LED，這就為現代照明提供了一種壽命長，效率高的照明光源，最為可貴的是，LED器件具有長達5萬以至10萬小時以上壽命，適合多種場合應用的特點。

2、LED的特點

LED發出的光與自然光不同，其頻譜不是連續的，缺少紅外部分，所以與白熾燈不同，LED產生的熱量不是靠輻射散出，而是必須通過傳導方式散出，這也是LED被稱為冷光源的原因。

LED具有以下優點：

1）高效節能：白光LED是目前已知的最為節能的白光光源器件。一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節能燈一百小時耗1度電）

2）超長壽命：半導體芯片發光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時以上（普通白熾燈使用壽命僅有數百小時，普通節能燈使用壽命也只有八千小時）

3）綠色環保：不含汞和氙等有害元素，利于回收和利用，而且不會產生電磁干擾（普通燈管中含有汞和鉛等元素，節能燈中的電子鎮流器會產生電磁干擾，且燈管中照樣存在汞元素）

4）保護視力：直流驅動，無頻閃（普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃）

5）光效率高：發熱小:90%的電能轉化為可見光（普通白熾燈80%的電能轉化為熱能，僅有20%電能轉化為光能）

6）市場潛力大：低壓、直流供電，電池、太陽能供電即可，可用于邊遠山區及野外照明等缺電、少電場所。

根據國際權威機構預測，半導體發光二極管照明將在未來5-10年內取代現有傳統光源，當然這將取決于白光LED更加便宜，科技進步必然造成市場總體容量快速增長。技術人員經測量發現，在同樣亮度下，LED的電能消耗僅為白熾燈的1／10，壽命則是白熾燈的100倍。由于LED具有節能、環保、壽命長、體積小等優點，專家們稱其為人類照明史上繼白熾燈和熒光燈之后的又一次飛躍。根據美國能源部的預計，傳統照明器件的徹底更新換代將在2010年開始啟動。日、美、歐、韓等國均已正式啟動LED照明戰略計劃。據報道，今年在我國上海召開的世博會上許多發達國家展館已全面使用了LED作為照明光源。在我國，LED的應用也處于蓬蓬勃勃的發展階段，但是由于我國沒有掌握大功率LED的核心技術，國內目前還處于進口半導體芯片，國內封裝階段，因此從價格上相對于國外還處于高位，應用也就稍加受到影響。

3、LED發光二極管的電氣特性

LED處于正向工作狀態，在達到其發光電壓值時，LED開始發光，繼續增加電壓時，LED發光亮度急劇增加，如再略增加電壓，LED則可能瞬間燒毀，由此可見，LED屬于一種電流器件，正是這一特性，決定了LED必須在恒流狀態下才能安全工作，這是LED器件在使用上與其他光源不一致的主要方面，也是安全使用LED的關鍵因素，需要設計者充分注意的要點。

上圖所示是功率為1W的LED芯片正向驅動電流與輸出亮度的關系，從中可以看出，驅動電流與流明輸出在350mA范圍內呈現明顯的線性關系。但是，隨著正向電流的增加，兩者之間漸漸出現非線性關系。當驅動電流超過線性范圍時，每瓦產生的流明效率將會降低，而在線性范圍內，每瓦產生的流明數將呈現上升的趨勢。當驅動電流超過線性范圍時，會導致輸出功率從LED轉換為熱能形式，此種熱能會成為LED驅動器的負擔，增加熱能設計的復雜度，并降低LED壽命。所以對于1W功率的LED器件，其正向驅動電流不超過350mA。對于目前常用的Ф5小功率LED燈珠，正向電流不超過20mA。對于3W大功率LED芯片，正向電流不宜超過700mA。

1、LED驅動電源的設計要點

根據LED的特性，其安全的使用方法是采用恒流式驅動，恒流驅動電路特點是：輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化，負載阻值小，輸出電壓就低，負載阻值越大，輸出電壓也就越高。

目前市場上以LED為主要器件的成品，大多采用簡單的電容降壓方式，通過電容達到恒流作用，這類產品有一個致命的缺點，那就是往往在開關電源的瞬間，一下子將LED器件全部燒毀，其原因在于，電容器的充放電特性造成的，在這里電容器處于微分電路的電容，發光管內阻等等效于微分電路中的電阻，微分電路的時間參數t=0.7RC,則在t的充放電的瞬間，流過LED的瞬間電流極大（可能達到正常電流的數十倍以至數百倍），造成瞬間永久性的損壞芯片。

一個可靠性較高的LED驅動電路如下圖：

圖片源自網絡

這個電路中，C 1可以省略，另外U1可以用價格低廉的普通二極管代替，該電路的缺點在于其效率較低，當使用數十個（65個以下）以上的發光管串聯時，效率較高。本電路還可以簡化，取消U1及C1，Q1基極直接與R1下端相連即可，穩定流為0.6/R1決定，當R1取30歐姆時，恒定電流為20mA。

理論上LED都是能發光的二極管，而實際上所有LED的電性能都是不一樣的，特別對于電子愛好者容易得到的二手LED，每支LED的閥值Vf都有差異，這就是說LED的發光強度與驅動電流是不完全相同的，或者相差很大，此時設計者就需要針對實際情況加以分析采用最合理的設計方案，才可能達到最有效的可靠性及經濟效益。

由于LED屬于電流型器件，嚴格的說只能采用串聯工作方式，在并聯工作狀態下，必須對所并聯的發光管進行篩選，不論并聯的管子多少，實踐證明管壓降差不得超過0.005V，否則很容易造成損壞。前幾年我國市場上出現了許多由7、9甚至更多的LED并聯生產的手電筒，曾經也風光一時，但是自出現了單只管子的1W、3W、5W的LED手電筒之后，這種以串聯方式生產的手電筒在價格上則直線下降，到了幾乎無人問津的地步，恐怕就不完全是手電筒外形等原因了，關鍵在于技術方式落后，可靠性差才是問題的關鍵了。

最為理想的LED驅動電路是PWM恒流控制方式的開關電源，主要由四部分組成，輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩流控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩流的基本工作原理就是在輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節主電路開關器件導通的脈沖寬度，使得開關電源的輸出電流穩定（即恒流電源）。電源效率極高，一般可以做到80%～90%，輸出電流相當穩定。一般這種電路都有完善的保護措施，屬高可靠性電源。其缺點在于成本較高。

2、LED的散熱解決方案

LED的散熱問題也是設計者必須考慮的關鍵問題，LED的光衰與LED的工作時間和工作電流以及LED工作時的溫度有關。正確工作狀態下LED的工作壽命至少可以達到5萬小時以上，一般達到10萬甚至幾十萬是很輕松的，然而一旦出現環境溫度過高，工作電流過大，則將造成LED的壽命急劇下降，甚至造成永久的損壞。一般的小功率LED應用時可以不必考慮散熱的問題，但是目前工作電流達60—150mA的中功率LED已經出現，這時就要求設計者不得不考慮LED正常工作中的散熱問題，好在外徑8mm，工作電流為150mA的一種發白光的LED其管腳比較粗，基本上可以利用其粗壯的管腳進行散熱，但是對更大功率如1W及以上的3W、5W甚至10W以上的LED則必須加散熱片才算是正常的工作環境。

下圖是LED發光二極管工作時溫度與電流曲線

圖片源自網絡

大多數電子愛好者都知道，PN結半導體器件正在向導通后，結電壓VF隨環境溫度上升而下降，即：-2mv/℃，稱PN結的負溫度效應，利用該特性可制成溫度傳感器，但該特性在發光應用上卻是致命的缺陷，直接影響它的發光效率。發光亮度、發光色度。通俗舉例，常溫25℃時，選擇LED最佳工作電流20mA，當環境溫度升到85℃，結電壓VF下降,工作電流急劇增加到35-37mA，見圖二,電流曲線Ⅰ,溫度下降至-40℃時，結電壓VF上升，最佳工作電流將從20mA減小8-10mA.,發光亮度也隨電流的減少而降低，達不到場所所需的照度。

為了避免上述不良現象，一般在LED的相關產品上，通常需要采用一些措施。如將LED裝在散熱板上，或風機風冷降溫或者LED采用恒流源的供電方式，不會因LED隨溫度上升引起電流增加，防止PN結惡性升溫，或兩種方法并用。實踐證明，用于大功率LED燈（如廣告背景燈、街燈），加裝散熱器確實是行之有效的措施。但LED燈進入尋常百姓家就碰到如下問題了：散熱板，風冷能否集約在一個普通燈頭的空間；采用集成電路或諸多元器件組成的恒流源電路，它的壽命和可靠性將不取決LED，根據“木桶理論”整個系統的可靠性則將取決于某種如溫升等“短板”了。

<現在可以找到的可以參考的LED電路設計資料較多，這里不做贅述>

LED作為光源，還有一個非常重要的參數，那就是LED的色溫，下面我們利用本期專題收尾的時間，也來了解一下有關光源色溫的一些知識~

光源LED色溫不同,光色也不同,LED色溫在3300K以下有穩重的氣氛,溫暖的感覺;LED色溫在3000--5000K為中間LED色溫,有爽快的感覺;LED色溫在5000K以上有冷的感覺.不同光源的不同光色組成最佳環境。

LED色溫的定義

以絕對溫度K來表示，即把標準黑體加熱，溫度升高到一定程度時該黑體顏色開始深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們把黑體當的絕對溫度稱為該光源的LED色溫。

不同光源環境下的LED色溫：

下面是一般常見照明燈具所采用的LED色溫

鹵素燈 3000k

鎢絲燈 2700k

高壓鈉燈 1950-2250k

蠟燭光 2000k

金屬鹵化物燈 4000-4600k

冷色熒光燈 4000-5000k

高壓汞燈 3450-3750k

暖色熒光燈 2500-3000k

晴空 8000-8500k

陰天 6500-7500k

夏日正午陽光 5500k

下午日光 4000k

LED色溫的特性

1.在高緯度的地區,LED色溫較高，所見到的顏色偏藍。

2.在低緯度的地區,LED色溫較低，所見到的顏色偏紅。

( <---- 低LED色溫 ------------------ 高LED色溫 ----> )

3.在一天之中，LED色溫亦有變化，當太陽光斜射時,能量被( 云層、空氣 )吸收較多,所以LED色溫較低。當太陽光直射時,能量被吸收較少,所以LED色溫較高。

4.Windows 的 sRGB 色彩模型是以 6500 K 做為標準LED色溫,以 D65 表示之。

5.清晨的LED色溫大約在 4400 K。

6.高山上LED色溫大約在 6000 K

LED各種顏色的照明應用

1、白色光有完美的顏色特性，但它會損害適應暗光的視覺，一定光源熄滅后需要一定的時間來重新適應。

LED色溫在3300K以下，光色偏紅給以溫暖的感覺；有穩重的氣氛，溫暖的覺；當采用低LED色溫光源照射時，能使紅色更鮮艷。

LED色溫在3000--6000K為中間，人在此色調下無特別明顯的視覺心理效，有爽快的感覺；所以稱為"中性"LED色溫。當采用中LED色溫光源照射時，使藍色具有清涼感。

LED色溫超過6000K，光色偏藍，給人以清冷的感覺，當采用高LED色溫光源照時，使物體有冷的感覺

2、紅色光通常是用作夜視。紅光不會引起你瞳孔過分收縮和一旦紅光熄滅時眼睛不需要重新適應黑暗。紅色也通常在單色相片處理被用作為“安全”顏色因為它不會損壞正在沖印的底片黃色光有著紅色光和白色光的一些優點。黃色光另外一優點就是當你閱讀時減少因為長時間閱讀而導致眼睛疲勞的反射和眩目的光。

3、綠色光也可以用作為夜視，綠色光還特別適用于在夜晚的時候閱讀地圖或圖表。它還不那么容易被夜視裝備發現，便很容易被人眼發現，綠色光的亮度比紅色光低。

4、藍色光可被用作在夜晚閱讀地圖和通常很受軍事人員青睞，因為藍色光增加了對比度的水平。它還可以用作戲院和演出時的后臺工作燈色。

5、藍綠光有著相似綠光和藍光的夜視優點，但隨著藍綠光的顏色特性的提高，一些用戶因為這個原因喜歡用藍綠光。

6、紅外線紅光是與夜視裝備一起使用的。否則人的眼睛是看不到紅外線光的。

7、紫外光通常是用作識別鈔票是否偽造，一些紫外發光二極管照明物在夜總會和派對上很受歡迎，它們被用來使熒光物質發出更亮的光。

LED色溫的對比

1700 K: 火柴光

1850 K: 蠟燭

2800 K: 鎢燈 (白熾燈)

3350 K: 演播室”CP”燈

3400 K: 演播室臺燈, 照相泛光燈（不是閃光燈）, 等…

4100 K: 月光

5000 K: 日光

5500 K: 平均日光, 電子閃光 (因廠商而異)

5770 K: 有效太陽溫度

6420 K: 氙弧燈

6500 K: 日光

9300 K: 電視屏幕（模擬）