LED光源在工程應用中的一些常識

中心議題：

LED的基本特性及使用時的注意事項
LED連接電路的常見形式
電源的分類及特性
LED的基本特性及使用時的注意事項

1．光電特性

LED在其電流極限參數范圍內流過LED的電流越大,它的發光亮度越高.即LED的亮度與通過LED的電流成正比.但綠光和藍光及白光在大電流情況下會出現飽和現象,不僅發光效率大幅降低,而且使用壽命也會縮短.

2．光學特性

LED按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍、紫、白等多種顏色.按亮度分有普亮、高亮、超高亮等,同種芯片在不同的封裝方式下,它的亮度也不相同.按人的視覺可分為可見光和不可見光.按發光顏色的多少可分為單色、雙色、七彩等多種類型.色彩的純度不同價格相差很大,現行的純白色LED價格特貴.同時發光視角不同,光效亦不同,使用時特需注意.

3．常見的LED電性能參數

(1)LED正向電壓

不同顏色的LED在額定的正向電流條件下,有著各自不同的正向壓降值,紅、黃色:1.8~2.5V之間,綠色和藍色:2.7~4.0V之間.對于同種顏色的LED,其正向壓降和光強也不是完全一致的.如下:

LED型號:54HCA

發光顏色外觀顏色波長λD(nm)正向電壓VF亮度Iv(mcd)

IF=20mA

Min.Max.

紅色水透明645~6601.82.550~300

黃綠色水透明570~5751.82.550~300

黃色水透明585~5901.82.5500~5000

藍色水透明455~4752.74.0500~7000

綠色水透明515~5352.74.02000~10000

藍綠色水透明490~5152.74.02000~10000

白色水透明-2.74.03000~15000

在同一電路中應該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強范圍小的LED.只有這樣才能保證LED的發光效果一致.其具體的電性參數可依各封裝廠每包裝提供的產品分光參數標簽值.(有些公司每批分選都不一致)

(2)LED的額定工作電流

LED的額定電流各不相同,普通的LED電流一般為20mA,大功率的LED電流一般為40mA或350mA不等.具體要按各封裝廠提供的電流參數值.一般LED在反向電壓:VR=5V的條件下,反向電流:IR≤10μA.

(3)LED的功率

LED功率的大小也各不相同,有70mW、100mW、1W、2W、3W、5W等,所以必須根據所選擇的LED,設計合理的使用電路和配置合適的LED數量,使其完全滿足LED電源的額定值,如果設計的電路使每個LED分擔電壓或電流過高就會嚴重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED,如果分擔的電壓或電流過低則激發的LED光強不夠,就不能充分發揮LED應有的效果,達不到我們所期望的目的.

4．溫度特性



(1)LED的焊接溫度應在250℃以下,焊接時間控制在3~5S之間.要注意避免LED溫度過高從而使芯片受損.

(2)LED的亮度輸出與溫度成反比,溫度不僅影響LED的亮度,也影響它的壽命.使用中盡量減少電路發熱,并做一定的散熱處理.

5．防靜電特性

LED裝配過程中必須加強防靜電措施,因為操作過程和人體本身都會產生靜電,對于雙電極的LED最易被靜電反向擊穿,從而嚴重影響LED的使用壽命甚至使其完全報廢.

如防靜電環境不是非常完善,可以給LED使用者增加防靜電腕帶,設置良好的防靜電接地系統,離子風機等設備.

LED連接電路的常見形式


1．串聯:這種電路需要電源提供較高的電壓.

V總=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF3+VF4------+VFN

I總=單顆LED的IF值

2．并聯:這種電路需要電源能提供較高的電流.

V總=單顆LED的VF值

I總=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4------+IFN

3．串聯/并聯組合

a、在實際運用中,負載常采用通過串并聯形成的LED陣列;

b、將LED連接成串聯/并聯組合的形式,可大幅減低因少數LED的VF不一致造成的影響;

c、陣列形式或LED個數變化,限流電阻也應相應變化.

d、串聯/并聯組合的形式會使輸出電流隨輸入電壓和環境溫度等因素而發生的變化更加顯著;

4．為了能有效控制電路中的電流,須在電路中配置適當的限流電阻.

R=(V輸入電壓-VLED總電壓)/I(流過限流電阻的電流)

限流電阻的作用主要是控制LED的電流,使電壓更平滑,并使各并聯支路的亮度更均勻.限流電阻阻值大效果較好,但是限流電阻的取值也不能太大,否則會增加電能的損耗及元件溫度升高.

電源的分類及特性

1、按驅動方式可分為兩大類:

(1)恒流式:

a、恒流驅動電路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;

b、恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路.

c、恒流驅動電路驅動LED是較為理想的,但相對而言價格較高.

d、應注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數量;

(2)穩壓式:

a、當穩壓電路中的各項參數確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化;

b、穩壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路.

c、以穩壓驅動電路驅動LED,每串需要加上合適的電阻方可使每串LED顯示亮度平均;

d、亮度會受整流而來的電壓變化影響.

2、按電路結構方式分類

(1)電阻、電容降壓方式:通過電容降壓,在閃動使用時,由于充放電的作用,通過LED的瞬間電流極大,容易損壞芯片.易受電網電壓波動的影響,電源效率低、可靠性低.

(2)電阻降壓方式:通過電阻降壓,受電網電壓變化的干擾較大,不容易做成穩壓電源,降壓電阻要消耗很大部分的能量,所以這種供電方式電源效率很低,而且系統的可靠也較低.

(3)常規變壓器降壓方式:電源體積小、重量偏重、電源效率也很低、一般只有45%~60%,所以一般很少用,可靠性不高.

(4)電子變壓器降壓方式:電源效率較低,電壓范圍也不寬,一般180~240V,波紋干擾大.

(5)RCC降壓方式開關電源:穩壓范圍比較寬、電源效率比較高,一般可以做到70%~80%,應用也較廣.由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續,開關頻率不容易控制,負載電壓波紋系數也比較大,異常負載適應性差.

(6)PWM控制方式開關電源: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穩壓控制部分、開關能量轉換部分.PWM開關穩壓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壓或電流穩定(即相應穩壓電源或恒流電源).電源效率極高,一般可以做到80%~90%,輸出電壓、電流穩定.一般這種電路都有完善的保護措施,屬高可靠性電源.

七、工程中的簡易計算方法

1.由已知電源功率計算LED的數量(即取所得數據的整數)(7-1)

例:額定輸出功率為10W電源,使用額定的正向電流20mA,耗散功率為70mW條件下可配置多少個LED?依以上公式(即取所得數據的整數)

2.對于恒壓驅動方式:由已知的輸出電源電壓計算每支路串聯LED數量及并聯支路數

(1)計算每條支路的LED個數公式:(最大值)

(2)計算并聯支路數公式:

注:VLED值依不同發光顏色各有不同,用穩壓電源驅動LED時,為了控制電流,通常需要串聯電阻器.

例:一個額定輸出電壓為DC24V,功率為10W電源,使用額定正向電流20mA,耗散功率為70mW額定的正向電壓為1.8V.可配置多少個LED呢?

依以上公式可以得出(即取所得數據的整數)即可以帶10組支路,每支路14個LED串聯構成的電路,共140個LED.

3.對于恒流驅動方式:由已知的電源輸出電流及LED的電流值計算出并聯支路數及每支路數量

(1)計算并聯的支路數公式:(最小值)

(2)計算支路串接LED個數:

注:其中n按(7-1)計算

例:一個額定輸出電流為DC0.35A,額定功率為10W電源,驅動耗散功率為70mW,正向電流為0.02A的LED,可怎樣配置?

依以上公式可以得出并聯支數路:(即取所得數據的整數)每支路串接數:個數,即可以帶17組,每組8個LED串接,共136個LED.

4.線路損耗及線路壓降的計算

P電線=IRV電線=IR

R電線=σ(備注:L為電線長度;S為電線橫截面積;σ為電線電導率)也可以查電工手冊.

例:用長度為10米(正、負極電線各5米),24AWG的銅芯電線,通過電流為2A,其損耗的功率及線路壓降為多少?

查電工手冊可知:R電線=0.737W

V電線=2×0.737=1.474V

P電線=2×0.737=2.948W

從以上計算可以看出,線路電流較大時,要注意選擇合適的導線截面,否則線路損耗及線路壓降是相當大的.我們只有完全了解LED和LED電源的基本特性,才能正確設計和使用LED光源.