【文章內容簡介】 1W 的大功率 LED。因此不需要配置逆變器。 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 4 圖 11 風光互補大功率 LED路燈的結構圖 1． 2 大功率 LED驅動電路相關情況介紹 1． 2． 1 白光 LED 的技術概況 白光 LED 的發(fā)展 發(fā)光二極管 LED 出現(xiàn)以來，人類一直在努力追尋實現(xiàn)固體光源的實現(xiàn)，隨著 LED制造工藝的進步和新型材料的應用和開發(fā)，白光 LED 的性能不斷提高和優(yōu)化并且進入應用的階段。白光 LED 的實現(xiàn)，使 LED 應用路燈寬度涉及到了高效率的照明市場。多種顏色混合起來的光合成所 謂的白光，根據人類肉眼能看見的形式需要兩種以上的光進行混合，比如二波長光（藍色光 +黃色光）或者是三波長光（藍色光 +綠色光 +紅色光），現(xiàn)在已實現(xiàn)的作品有二波長藍色單芯片加上 YAG 黃色熒光粉，在以后三波長光是被看好的，它是以 R、 G、 B三種顏色熒光粉加上無機的紫外光芯片，除此之外有機單側的三波長也有較低造價的白光LED、制造相對簡單容易的特點。 20世紀 60 年代，科學家言之成的 LED 是利用了 PN結光電效應發(fā)光的原理。所選用的材料是 GaAsP。其發(fā)光顏色僅僅能表現(xiàn)為紅色。經過 30年的發(fā)展歷程， LED 現(xiàn)已經能發(fā)出紅、 橙、黃、綠、藍等多種多樣的光了。但是用于公共照明的白光 LED 是最近幾年才發(fā)展起來的。現(xiàn)在已經廣泛應用的圓頭柱狀白光 LED 產生的白光多數(shù)都是利用色的互補關系產生的仿真型白光，它是將藍光與黃色光只講的色差結合起來，但這樣的光容易使人有一種不協(xié)調的感覺，并且無法達到高顯色性，且在要求大功率和大電流通過的情況下容易產生色差的問題，這些是白光 LED 今后需要解決的問題和需要努力的方向。 1． 2． 2 白光 LED 的特色 白光 LED 是被廣泛有著良好前景的 LED 朝陽產品，在公共照明市場的有著一定的發(fā)展?jié)摿?。與傳統(tǒng)的照明產品相比 ，白光 LED具有諸多優(yōu)點。如體積較小并可以有多只多樣的工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 組合、工作時發(fā)出的熱量較低，不會產生熱輻射、耗電量較低，安全電壓電流就可以正常工作、使用壽命長平均可以達到一萬小時以上、且反應的速度較快可以在較高頻率下操作，且較為環(huán)保無污染等諸多優(yōu)點。其與傳統(tǒng)的照明設備的比較表如下。 表 11 白光 LED 與傳統(tǒng)照明設備的優(yōu)缺點比較 照明方式 特點 白光 LED 體積較小并、有多只多樣的組合、工作時發(fā)出的熱量較低、不會產生熱輻射、耗電量較低、安全電壓電流就可以正常工作、使用壽命長可達到一萬小時以上、反應的速度較快可以在較 高頻率下操作、較為環(huán)保無污染 熒光燈 節(jié)省電源，但污染嚴重，且易碎 白熾燈（鎢絲燈） 發(fā)光效率較低、高耗電量、使用壽命較短、且容易損壞 現(xiàn)今白光 LED 仍然處于發(fā)展的初級階段，在很多方面還存在局限性，但基本上已經克服了傳統(tǒng)的照明設備的缺點，其中比較突出的是造價高售價高是其不能普遍的主要原因。 照明用白光 LED 1）照明用白光 LED 相關技術指標 照明所用的白光 LED 不同于一般的 LED 產品，在技術指標上有一定的要求 。一個直徑 5mm 的 LED光通量只有 1lm 左右，但是要用作照明上的白光功 率的 LED 要達到 1klm。 LED 的功率達到 和 的也是能達到較低的照明需求的。但由于 15W 的白熾燈發(fā)光效率比較低，僅 8lm/W。所以一個 15W 的白熾燈的光通量僅僅與5W、 25lm/W 的白光效率 LED 相同。 。目前 15lm/W 提高到 25lm/W 的實現(xiàn)已經提高到產業(yè)化的程度，最高已經能到到 。 。在 2500K 到 6000K 之間，最好是 2500K 到 3000K 之間。 aR 。 aR 最好可以達到 100 。光通量和波長應該滿足穩(wěn)定的條件，并應依照于應用場合的需求。 。 5萬小時到 10 萬小時之間。 2）白光 LED在不同色溫下的光譜特性 如今照明所用的白光 LED 與普通的 LED 的概念已經有著質的差異了，它并不是越白越好。人們對照明的白光光源要求很是嚴格，我國和國際上早已經制定了相關標準。照明光源有嚴格的色溫標準： 5400K、 5000K、 4000K、 3450K、 2900K、 2700K 以及其相對應的色域，照明光源的色品質是相互關聯(lián)的。必須同時得到滿足，才能稱之為合格的照明用 LED 光源。 大功率白光照明 LED 的電學、光學特性以及熱學特性 在 中介紹了照明白光大功率 LED 需要滿足的技術指標，如白光照明 LED 的亮度、光強、光通量、發(fā)光效率、色溫，響應時間。這些指標將在這一節(jié)放在 LED 電學特性、光工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 學特性以及熱學特性中進行闡述。 大功率 LED 的電學特性 1． IV特性 PN結伏安特性，表征 LED 芯片 PN 備性能主要參數(shù)。不同的電流直接影響 LED 的 度和 PN結的結溫 . LED 的 IV特性具有非線性、整流性質：單向導電性，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 圖 12 LED的伏安特性曲線 IF正向直流電流（正向測試電流），在規(guī)定的正向電壓 VF下，通過極間的電流 ，不同 LED 因材料不同有不同的 IF。 VFLED 正向導通時所需電壓，同種顏色 LED 可能有不同的 VF，所以 LED 公司按電壓區(qū)間分 Group 或 BIN 來加 以區(qū)分，以便用戶使用。 IFM正向峰值電流（正向最大電流）。在額定功率下，允許通過二極管的最大正向脈沖電流。注：一般 IF= VR 稱為反向擊穿電壓； VR 電壓對應 IR 為反向漏電流不同 LED 因材料不同，有不同的 VR。 表征大功率 LED 跟蹤外部信息變化的快慢。通俗的來講，就是 LED 點亮時到 LED 熄滅的時間延遲。 不同材料制得的 LED 響應時間各不相同；如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應時間＜ 109S，GaP 為 107 S。因此它們可用在 10~100MHZ 高頻系統(tǒng)。 另外大功率 LED 的正向伏安特性如圖 11 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 圖 13不同白光 LED的電流一電壓特性之間的差異性 LED 的光學特性 ①光束角（ beam angle )：在通過最大光強半平面上，兩條 1/2 最大光強方向之間的夾角稱為該平面的光束角． ②光束擴散角 (field angle )：在包含最大光強的某個平面上，兩條為 1/10 最大光強的光線之間的夾角稱為該平面的光束擴散角（或稱有效光束角）． 在引出雜散光線的時候，出現(xiàn)了這個光束角以及 1/10 最大光強的概念。 ③光通量 表征 LED 總光 輸出的輻射能量，它標志器件的性能優(yōu)劣。 F為 LED 向各個方向發(fā)光的能量之和，可見光 LED 的光通量單位為流明（ lm） ,它與工作電流的關系如下。 圖 14光通量與時間關系 圖 13光通量與電流關系 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 ④光效 是指 LED 所發(fā)出的光通量φ與其所消耗的電功率 P 之比 ,單位為流明 /瓦（ lm/w） ,是評價電光源用電效率最主要的技術參數(shù) ,它與工作電流的關系如下。 圖 14 LED的光效與工作電流的關系 ⑤色品坐標、色溫與顯色性 色品坐標用來準確地表達光源的表觀顏色 .但是人類習慣的關于光色感覺不能簡單的與具體數(shù)值聯(lián)系到一起，只能說存在一般性的規(guī)律。就如人們對暖色和冷色的區(qū)分標準。 色溫與色品坐標的關系式近似如下： 其關系曲線如 15 色品圖，由此可見，不要的色品坐標可能會有同樣的色溫 ，所以能唯一決定顏色的參數(shù)是色品坐標，色溫只能參考。一般， LED 封裝廠都會按色品坐標不同 用不同的 Bin 來區(qū)分白光的顏色。以下一典型的 Bin 分布圖。大功率 LED 供應商 一般會要求四個 Bin 同時購買，如數(shù)量較少時可以考慮與供應商溝通買單個 Bin。 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 9 圖 15 LED 的色品圖 ⑥壽命 在 LED的應用方面 ,led在額定功率的條件下 ,光通量從衰減到初始值的規(guī)定百分比時所持續(xù)的時間稱之為 LED 的有效壽命。均壽命一批 led同時點亮 ,當經過一段時間后 ,led不亮達到 50%時所用的時間 . 經濟壽命 在同時考慮 led 損壞以及光輸出衰減的狀況下 ,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數(shù) .此比例用于室外光源為 70%,用于室內光源為 80%。 LED 的熱學特性 LED 的主要熱學參數(shù)有結溫（ Tj）和熱阻（ Rth）有很大的關系。 LED 的許多特性參數(shù)與結溫有很大的關系 ，具體如下： ① LED 的主波 長隨溫度關系 由上式可知，每當結溫升高 10℃，則波長向長波漂移 1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。 ② LED 結溫與壽命的關系 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 16 LED結溫與壽命的關系圖 ③ LED 結溫與電流的關系 白光工作電流基本上隨溫度的升高而升高，表現(xiàn)為正溫度特性，近似變化率約為 ℃。 圖 17 LED結溫與電流的關系圖 ④ LED 結溫與色品坐標的關系 如下圖 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 18 LED結溫與色品坐標的關系圖 ⑤ LED 結溫與正向電壓和光通量的關系 圖 19 LED結溫與正向電壓和光通量的關系圖 課題主要研究的大功率 LED 驅動的基本情況以及注意事項 原始電源有各種形式，但無論哪種電源，一般都不能直接給 LED 供電。因此，要用 LED做照明光源就要解決電源變換的問題。大功率 LED 實際上是一個電流驅動的低電壓單向導電器件。所以本課題主要要實現(xiàn)大功率 LED 的直流控制、高效率、過壓保護、 DC/DC 轉換器的效率、 DC/DC 升壓操作、以及保證恒定電流驅動等諸多技術問題。同時特別注意的應有以下事項： 工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 ① LED是單向導電器件，所以說只有用直流電流或是單向脈沖電流驅動 LED 工作。 ② LED 是有 PN 結結構的器件，因此 它是有勢壘電勢，勢壘電勢就形成了導通門限電壓，所以說只有 LED 兩端電壓大于這個限制電壓時 LED 才會導通。大功率 LED 的門限電壓一般在 3V 以上，本設計選用的 1W 大功率 LED的門限電壓為 3~。 ③ 由之前介紹我們得到 LED 的電流電壓特性屬于非線性。因這就造成了 LED 的電流和 LED兩端的電壓不成正比，所以提供穩(wěn)定可靠的電流也就成了挑戰(zhàn)。 ④ LED 的 PN 結的特點為負溫度系數(shù)， LED 的勢壘電勢會隨著其溫度升高還降低。所以大功率 LED 不能直接用簡單的直流電壓源供電工作，因此采取限流措施是必要的，否則大功率 LED會隨著其溫度的升高流過的電流過大而損壞。 另外，還應注意的問題有輸出電流電壓的精度 : 一般恒流源電流在177。 8%。恒壓源電壓在177。 2%， 功率因數(shù) : 一般在 75%~85%；高功率因數(shù)在≥ 85%；節(jié)能之星要求家用 ≥ 70%，商用≥ 90%。過載、短路、過熱保護的問題，開路保護或限壓保護 (對恒流源 )，過沖保護(對恒流插墻式電源 ,如電源無此保護 ,設計 LED 電路時應在電路上并聯(lián)，電容以消除次極開、關時大電流對 LED 的損傷 )。 壽