一、什么是LED ?
LED(Light Emitting Diode),又稱發(fā)光二極管,它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合,放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。
二、LED有哪些優(yōu)點?
★ 高效節(jié)能 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(jié)能燈一百小時耗1度電)
★ 超長壽命 半導(dǎo)體芯片發(fā)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(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時,普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時)
★ 光線健康 光線中不含紫外線和紅外線,不產(chǎn)生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)
★ 綠色環(huán)?!〔缓碗扔泻υ?,利于回收和利用,而且不會產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素,節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁干擾)
★ 保護視力 直流驅(qū)動,無頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動,就必然產(chǎn)生頻閃)
★ 光效率高,發(fā)熱?。?0%的電能轉(zhuǎn)化為可見光(普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能,僅有20%電能轉(zhuǎn)化為光能)
★ 安全系數(shù)高 所需電壓、電流較小,發(fā)熱較小,不產(chǎn)生安全隱患,可用于礦場等危險場所
★ 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(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。
一、什么是LED ?
LED(Light Emitting Diode),又稱發(fā)光二極管,它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合,放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。
二、LED有哪些優(yōu)點?
★ 高效節(jié)能 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(jié)能燈一百小時耗1度電)
★ 超長壽命 半導(dǎo)體芯片發(fā)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(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時,普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時)
★ 光線健康 光線中不含紫外線和紅外線,不產(chǎn)生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)
★ 綠色環(huán)?!〔缓碗扔泻υ?,利于回收和利用,而且不會產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素,節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會產(chǎn)生電磁干擾)
★ 保護視力 直流驅(qū)動,無頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動,就必然產(chǎn)生頻閃)
★ 光效率高,發(fā)熱小:90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光(普通白熾燈80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能,僅有20%電能轉(zhuǎn)化為光能)
★ 安全系數(shù)高 所需電壓、電流較小,發(fā)熱較小,不產(chǎn)生安全隱患,可用于礦場等危險場所
★ 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(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場所。
三、權(quán)威預(yù)測
半導(dǎo)體照明將在未來5-10年內(nèi)取代現(xiàn)有傳統(tǒng)光源。
“未來白光LED將更加便宜,市場總體容量將快速增長。”許志鵬樂觀地指出,據(jù)美國能源部預(yù)測,2010年前后,美國將有55%的白熾燈和熒光燈被LED替代,可能形成一個500億美元的大產(chǎn)業(yè)。而日本提出,LED將在今年大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈。日、美、歐、韓等國均已正式啟動LED照明戰(zhàn)略計劃。
美國能源部預(yù)測,到2010年前后,美國將有55%的白熾燈和熒光燈將被嵌在芯片上的發(fā)光體---半導(dǎo)體燈替代。日本計劃到2008年用這種半導(dǎo)體燈替代50%的傳統(tǒng)照明燈具??茖W(xué)家測量發(fā)現(xiàn),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(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)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(jù)美國能源部(DOE)的預(yù)計,傳統(tǒng)照明器件的徹底更新?lián)Q代將在2010年開始啟動,然而許多LED供應(yīng)商都希望將這個啟動時間再提前一到兩年。
四、繼澳大利亞 歐盟欲讓白熾燈兩年內(nèi)“下課”
2007年3月9日,在英國倫敦街頭,成串的彩燈閃爍。剛剛結(jié)束的歐盟首腦會議通過了一系列旨在提高能效的措施。9日結(jié)束的歐盟春季首腦會議已經(jīng)達成協(xié)議,兩年內(nèi)歐洲各國將逐步用節(jié)能熒光燈取代能耗高的老式白熾燈泡,以減少溫室氣體排放。在這之前,澳大利亞已率先通過停止使用白熾光燈泡法令。
五、LED照明產(chǎn)值將超千億美元 同方正發(fā)力
同方股份副總裁兼董秘孫岷近日向記者透露,公司的高亮度LED照明項目已基本實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,目前已經(jīng)有20條生產(chǎn)線投產(chǎn),其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)達到世界先進水平,規(guī)劃2008年年底生產(chǎn)線將達到50條,形成綠色照明的規(guī)?;?yīng)。預(yù)計我國2008年應(yīng)用市場規(guī)模將達540億元,到2010年,中國半導(dǎo)體照明及相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將超過1000億美元的規(guī)模,其中高亮度芯片國內(nèi)增長率將高達100%。
六、首爾半導(dǎo)體期望能取得全球照明市場之中1,000億美元的份額。
韓國首爾半導(dǎo)體公司現(xiàn)正計劃用LED取代傳統(tǒng)的照明燈,目前 Acriche 60流明/瓦特的亮度在2007年第四季提升五成至80流明/瓦特, 而每一模組為250流明; 在2008年第四季達至120流明/瓦特, 而每一模組為400流明, 期望能取得全球照明市場之中1,000億美元的份額。
七、澳大利亞與新西蘭將率先停止使用白熾光燈泡
澳大利亞政府最近宣布,為了減少溫室氣體的排放量,澳大利亞將禁止除醫(yī)療用以外的白熾燈的使用。據(jù)此,到2012年時澳大利亞將減少400萬噸溫室氣體的排放。
而據(jù)2007年2月21日《The Dominion Post》報道,新西蘭能源部長David Parker建議參照澳大利亞的做法,新西蘭也應(yīng)在未來兩到三年內(nèi)禁止使用普通白熾光燈泡,用節(jié)能環(huán)保的熒光燈泡(Florescent Eco Bulb)取代。澳大利亞環(huán)境部長Malcolm Turnbull說,澳大利亞2010年將推行新的民用照明標(biāo)準(zhǔn),通過新標(biāo)準(zhǔn)的實施,2012年可減少溫室氣體排放400萬噸。
據(jù)悉,這種新型熒光燈泡主要從中國進口。
八、為什么首選樓道燈來應(yīng)用LED
1, 目前比較而言,LED的售價還較高,樓道燈是共用設(shè)施,共同承擔(dān)大家就能接受。
2,樓道燈現(xiàn)在普遍是使用白熾燈,若換用LED燈,節(jié)電的效果就特別明顯。
3,樓道燈在白天是熄滅的。晚上就頻繁的啟動或關(guān)斷。不要說是節(jié)能燈,就是白熾燈都會很快的玩完。但是LED燈卻是不怕,因為它的發(fā)光機理與白熾燈和節(jié)能燈都不同,就恰恰非常的適應(yīng)在高速的開關(guān)工作狀態(tài),絕對不會因為是這個原因而損壞。
4,LED燈的壽命很長,就免除了樓道燈經(jīng)常需要維修的尷尬狀況。
5, 樓道燈是物業(yè)交電費,投入是一次性的,節(jié)約80%的電費是長期的,物業(yè)部門最合算。
九、LED燈能直接替換現(xiàn)在的樓道燈嗎?
不能。由于現(xiàn)在大家使用的樓道燈是白熾燈,根本就無法用LED燈或節(jié)能燈去替換,所以如果要換用LED燈就必須也要同時換用聲光控開關(guān)?,F(xiàn)在有專用的一體化的LED聲光控樓道燈,直接就使用220V的市電,非常方便使用。我們將強烈建議樓道燈的使用電壓用直流的24V,其好處和原因我們會另文介紹。隨著技術(shù)發(fā)展和成本的降低,LED燈取代節(jié)能燈也就成為必然的了。
十、LED驅(qū)動電源的分類及特性
1、按驅(qū)動方式可分為兩大類:
(1)恒流式:
a、恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定范圍內(nèi)變化,負(fù)載阻值小,輸出電壓就低,負(fù)載阻值越大,輸出電壓也就越高;
b、 恒流電路不怕負(fù)載短路,但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路。
c、 恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的,但相對而言價格較高。
d、應(yīng)注意所使用最大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數(shù)量;
?。?)穩(wěn)壓式:
a、當(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化;
b、 穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路,但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路。
c、以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)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(jié)構(gòu)方式分類
?。?)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(wǎng)電壓波動的影響,電源效率低、可靠性低。
?。?)電阻降壓方式:通過電阻降壓,受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大,不容易做成穩(wěn)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(tǒng)的可靠也較低。
(3)常規(guī)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。
?。?)RCC降壓方式開關(guān)電源:穩(wěn)壓范圍比較寬、電源效率比較高,一般可以做到70%~80%,應(yīng)用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續(xù),開關(guān)頻率不容易控制,負(fù)載電壓波紋系數(shù)也比較大,異常負(fù)載適應(yīng)性差。
(6)PWM控制方式開關(guān)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(wěn)壓控制部分、開關(guān)能量轉(zhuǎn)換部分。PWM開關(guān)穩(wěn)壓的基本工作原理就是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外接負(fù)載變化的情況下,控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進行閉環(huán)反饋,調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件導(dǎo)通的脈沖寬度,使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流穩(wěn)定(即相應(yīng)穩(wěn)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(wěn)定。一般這種電路都有完善的保護措施,屬高可靠性電源。
從以上介紹可以看出PWM控制方式設(shè)計的LED電源是比較理想的LED電源。目前珠海市南宇星電子公司生產(chǎn)的“金興”牌LED開關(guān)電源就是PWM控制技術(shù)的開關(guān)電源,該類LED電源經(jīng)用戶使用反映效果很好。
一、剛剛開始起步成本高
照明成本不僅涉及燈具的初始成本,還涉及燈具所消耗的能源成本,燈具無法正常工作時更換燈具所需的勞動成本,以及所需燈具更換的平均頻率。從這一概念出發(fā)就很容易理解,為什么LED光源是白熾燈光源價格的50倍左右時,LED交通信號燈的市場就開始啟動,而當(dāng)達到28倍時,就已形成新興產(chǎn)業(yè)。目前半導(dǎo)體照明主要以光色照明和特殊照明為主,以后將向普通照明擴展。具體來講,近幾年內(nèi),半導(dǎo)體照明市場將廣泛應(yīng)用在各種信號燈、景觀照明、櫥窗照明、建筑照明、廣場和街道的美化、家庭裝飾照明、公共娛樂場所美化和舞臺效果照明等領(lǐng)域。事實上,我們身邊已經(jīng)隨處可見它的身影:電腦顯示燈、手機按鍵和屏幕的背光源、汽車尾燈、建筑物燈光、交通信號燈……等等。
二、不一致性帶來的問題:
理論上LED都一樣,都是能發(fā)光的二極管,而實際上所有LED的電性能都是有差異的,眾多的廠家都在搶生產(chǎn)進度、抓數(shù)量;每個廠家的生產(chǎn)工藝是不一致的,甚至相差很大,就是同一廠家的不同時間的工藝都是有差異的;生產(chǎn)發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料的純度要求非常高,不同廠家使用的半導(dǎo)體原材料的純度是有差異的,這就使LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流是不完全相同的,或者相差很大,而且耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了;由于封裝工藝和封裝材料的不同,使得整體的散熱能力是不一樣的,所有的廠家都在研究和開發(fā)新材料,以求解決組合材料的熱彭脹與散熱的問題。由此不難看出,LED發(fā)光二極管在短期內(nèi)仍存在個體之間的很大的差異,如果每個燈只用一個LED,那是很好控制的,而且是真正的長壽命,例如電視機、DVD上的電源指示燈就是如此;而當(dāng)我們用 LED制作照明燈具時,就不是用單個的LED,而是用多個,或上百上千個LED排成陣列接入電路,再者,需要的亮度就不是指示燈所能做到的,而電流大了、小了亮度都要減弱,且會使壽命大打折扣,甚而致于未出廠就壞掉了;因LED的差異性總是存在的,在多個LED組成的連路中,當(dāng)有幾個壞掉時(通常是短路),會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果,也是制約其發(fā)展的因素之一。
三、驅(qū)動電路復(fù)雜成本高、故障率高
a.在電壓匹配方面,LED不象普通的白熾燈泡,可以直接連接220V的交流市電。LED是2--3.伏的低電壓驅(qū)動,必須要設(shè)計復(fù)雜的變換電路,不同用途的LED燈,要配備不同的電源適配器。
b.在電流供應(yīng)方面,LED的正常工作電流在15mA-18mA,供電電流小于15mA時LED的發(fā)光強度不夠,而大于20mA時,發(fā)光了強度也會減弱,同時發(fā)熱大增,老化加快、壽命縮短,當(dāng)超過40mA時會很快損壞。為了延長LED照明燈的使用壽命,簡易電源是不能使用的,而常用集成電路電源、電子變壓器、分離元件電源等,但都要設(shè)計恒流源電路和恒壓源電路供電的方式,大電流驅(qū)動時,要配大功率管或可控硅器件,另加保護電路,這樣就使LED 的電源供應(yīng)器電路很復(fù)雜,故障率增加。元件成本、生產(chǎn)成本、服務(wù)成本都將升高。而目前LED本身的成本就高,加上電源的成本,這就大大地限制了市場的競爭力與購買群體,LED照明燈的優(yōu)勢大打折扣,這也是制約其發(fā)展與普及的又一關(guān)鍵問題。
四、解決問題的方法與可行性分析:
解決問題的方法可用自復(fù)位過流保護器WHPTC元件
如果用WHPTC過流保護器作保護,將是另外一種結(jié)果,從原理可知,當(dāng)電路的電流超過規(guī)定值時會訊速的自動保護,在排除故障后又自動復(fù)位,無需人工更換。對LED而言,電壓的變化不是LED損壞的直接原因,而電流的增大才是LED的真正殺手。顯而易見,利用WHPTC的這個特性,在LED的電路保護上具有絕對的優(yōu)勢,讓簡易電源供電變?yōu)楝F(xiàn)實。實踐證明,在LED電路出現(xiàn)故障以前就有效保護了。在簡易電源上,這個優(yōu)勢特別突出。對如下3圖分析可見,因有了WHPTC后可省去恒流、恒壓電路, LED的質(zhì)量也提高了。器件成本、生產(chǎn)成本、故障率、服務(wù)成本等,都大大降低。也大大增加了產(chǎn)品的市場競爭力。所以誰先使用WHPTC,誰先占領(lǐng)市場。
使用WHPTC前后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較圖
淺談LED產(chǎn)品老化我們在應(yīng)用LED時經(jīng)常會出現(xiàn)這樣種問題,LED焊在產(chǎn)品上剛開始的時候是正常工作的,但點亮一段時間以后就會出現(xiàn)暗光、閃動、故障、間斷亮等現(xiàn)象,給產(chǎn)品帶來嚴(yán)重的損害。引起這種現(xiàn)象的原因大致有:
1.應(yīng)用產(chǎn)品時,焊接制程有問題,例如焊接溫度過高焊接時間過長,沒有做好防靜電工作等,這些問題95%以上是封裝過程造成。
2.LED本身質(zhì)量或生產(chǎn)制程造成。 預(yù)防方法有:
1.做好焊接制程的控制。
2.對產(chǎn)品進行老化測試。
老化是電子產(chǎn)品可靠性的重要保證,是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后必不可少的一步。LED產(chǎn)品在老化后可以提升效能,并有助于后期使用的效能穩(wěn)定。LED老化測試在產(chǎn)品質(zhì)量控制是一個非常重要的環(huán)節(jié),但在很多時候往往被忽視,無法進行正確有效的老化。LED老化測試是根據(jù)產(chǎn)品的故障率曲線即浴盆曲線的特征而采取的對策,以此來提高產(chǎn)品的可靠性,但這種方法并不是必需的,畢竟老化測試是以犧牲單顆LED產(chǎn)品的壽命為代價的。
LED老化方式包括恒流老化及恒壓老化。恒流源是指電流在任何時間都恒定不變的。有頻率的問題,就不是恒流了。那是交流或脈動電流。交流或脈動電流源可以設(shè)計成有效值恒定不變,但這種電源無法稱做「恒流源」。恒流老化是最符合LED電流工作特征親羈蒲У腖ED老化方式;過電流沖擊老化也是廠家最新采用的一種老化手段,通過使用頻率可調(diào),電流可調(diào)的恒流源進行此類老化,以期在短時間內(nèi)判斷LED的質(zhì)量預(yù)期壽命,并且可挑出很多常規(guī)老化無法挑出的隱患LED。 有效防止高溫失靈-PTC熱敏電阻用作LED限流器近年來,發(fā)光二極管(簡稱LED)的發(fā)展已取得巨大進步:已從純粹用作指示燈發(fā)展為光輸出達100流明以上的大功率LED。不久之后,LED照明的成本將降至與傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(簡稱CCFL)類似的水平。這使得人們對LED的下述應(yīng)用興趣日濃:汽車照明燈、建筑物內(nèi)外的LED光源、以及筆記本電腦或電視機LCD屏的背光。大功率LED技術(shù)的發(fā)展提高了設(shè)計階段對散熱的要求。就像所有其它半導(dǎo)體一樣,LED不能過熱,以免加速輸出的減弱,或者導(dǎo)致最壞狀況:完全失效。與白熾燈相比,雖然大功率LED具有更高效率,但是輸入功率中相當(dāng)大的一部分仍變成熱能而非光能。因而,可靠的運作就需要良好的散熱,并要求在設(shè)計階段就考慮高溫環(huán)境。設(shè)計LED驅(qū)動電路尺寸時,也必須考慮溫度因素:必須選擇其正向電流,以確保即使環(huán)境溫度達到最高值,LED芯片也不會過熱。隨著溫度的升高,就需要通過降低最高容許電流,即降低額定值,來實現(xiàn)降溫。LED制造商把降額曲線納入其產(chǎn)品規(guī)格中。有關(guān)此類曲線,參見圖1。
圖1 LED降頻曲線
利用無溫度依賴性的電源運行LED存在弊端:在高溫區(qū)域內(nèi),LED則超出規(guī)格范圍運行。此外,當(dāng)處于低溫區(qū)域時,照明源就由明顯低于最大容許電流(參見圖1紅色曲線)的電流供電。如圖1的綠色曲線所示,通過LED驅(qū)動電路中的正溫度系數(shù)熱敏電阻(簡稱PTC熱敏電阻)來控制LED電流是一個重大改進。這至少可以帶來下列好處:
*在室溫下增加正向電流,從而增加光輸出
*因為可以減少LED使用量,所以可以使用價格較低的驅(qū)動集成電路(簡稱IC)乃至一個不帶溫度管理的驅(qū)動電路來節(jié)約成本
*實現(xiàn)無需IC控制的驅(qū)動電路設(shè)計,此電路亦可使LED電流隨溫度改變
*能夠使用較便宜減額值較高安全裕量較小的LED
*過熱保護功能提高了可靠性
*帶散熱片的熱機械設(shè)計更為簡單
大多數(shù)LED用驅(qū)動電路形式具有一個共同點:即流經(jīng)LED的正向電流是通過固定電阻進行設(shè)置(參見圖2)。一般說來,流經(jīng)LED ILED的電流取決于Rout,即ILED ~ 1/Rout。由于Rout不隨溫度而變,因此LED電流也不受溫度影響。
將固定電阻換成隨溫度變化的電路,即可實現(xiàn)對LED電流的溫度管理。下列圖表闡明了如何使用PTC熱敏電阻來改善標(biāo)準(zhǔn)電路。
示例1:有反饋回路的恒流源
圖2中電路1為常用的驅(qū)動電路。其恒流源包括一條反饋回路。當(dāng)調(diào)節(jié)電阻兩端的反饋電壓達到因IC而異的VFB時,LED電流就不變了。LED電流因而被穩(wěn)定在ILED=VFB/Rout。
圖2 LED的傳統(tǒng)驅(qū)動方式
圖3所示為上一電路改良型:此電路借由PTC熱敏電阻,生成隨溫度變化的LED電流。通過正確選擇PTC熱敏電阻、Rseries以及 Rparallel,此電路與專用驅(qū)動IC和LED組合相匹配。其中,LED電流可經(jīng)由下列方程式計算得出:
圖3所示電路闡明了LED電流(參見圖3)的溫度依賴性。與針對最高運行溫度為60度的恒流源相比較,使用PTC熱敏電阻后LED電流可在0度和40度之間提升達40%,并且LED亮度也能提高同等百分比。
圖3 采用PTC熱敏電阻的溫度監(jiān)測和電流降頻
示例2:調(diào)節(jié)電阻與LED無串聯(lián)的恒流源
圖2所示電路2為另一常見的恒流源電路:電流通過連接驅(qū)動IC的電阻得以確定。然而在這種情況下,調(diào)節(jié)電阻并未與LED串聯(lián)。Rset和 ILED之間的比率由IC規(guī)格明確。因此,運用20KΩ的串聯(lián)電阻和TLE4241G型驅(qū)動IC,最終產(chǎn)生的LED電流為30mA。圖4所示為標(biāo)準(zhǔn)電路改良型,其中也含有一個PTC熱敏電阻,盡管此處采用WHPTC熱敏電阻。在感測溫度,元件電阻可達4.7KΩ,且容許誤差值為±5℃(標(biāo)準(zhǔn)系列) 或±3℃(容許誤差值精確系列)。
圖4所示為隨外界溫度而變化的LED電流。固定電阻Rseries容許誤差范圍小,在低溫時支配總電阻。只有在低于PTC熱敏電阻的感測溫度大約15 K時,由于PTC熱敏電阻的阻值開始增加,電流才會開始下降。在感測溫度(總電阻=Rseries+RPTC=19.5KΩ+4.7KΩ=24.2KΩ) 時的電流大約為23mA。PTC電阻在溫度更高時急劇上升,迅速引發(fā)斷路,從而避免因溫度過高出現(xiàn)故障。
圖4 無分流測量之溫度記錄
示例3:無IC簡單驅(qū)動電路
如圖2所示電路3,LED也可在無驅(qū)動IC的情況下工作。圖示電路是通過車用電池驅(qū)動單一200mA LED。穩(wěn)壓器生成5 V的穩(wěn)定電源電壓Vstab,以避免電源電壓出現(xiàn)波動。LED在Vstab處運作,電流則通過與LED串聯(lián)的電阻元件Rout決定。在這類電路中,通過下一則等式可算出獨立于溫度的正向電流,在此等式中,VDiode是一個LED的正向電壓:
另一做法是將WHPTC的徑向引線式PTC熱敏電阻以及兩個固定電阻相組合后,替代上述固定電阻,如圖所示。
由于LED電流的絕大部分流經(jīng)PTC熱敏電阻本身,因此需要選擇一個較大的徑向引線式元件。PTC將因為流經(jīng)電阻本身的電流而導(dǎo)致發(fā)熱,因此會一直減少電流,無論環(huán)境溫度為何(如圖5所示)。并聯(lián)兩個或更多片式PTC熱敏電阻會將電流分流,但此方案仍存在局限性。
圖5 無需IC的溫度補償驅(qū)動電路
電流值主要是通過適當(dāng)選擇兩個固定電阻來設(shè)置的。這兩個電阻也在改進電路方面也起到重要作用,因為它們將產(chǎn)生的LED正向電流的允差保持在較低水平。這在正常工作溫度范圍內(nèi)尤其重要,因為此時PTC熱敏電阻本身的阻值允差仍較高。第二個并聯(lián)固定電阻也能確保PTC不會在極端高溫情況下徹底關(guān)閉 LED,因此,電流不會降至低于下列等式計算的所得值:
這項性能在例如汽車電子這樣的應(yīng)用中極其重要,因為安全要求不允許照明燈徹底關(guān)閉。
背景資料:LED的溫度依賴性
像所有半導(dǎo)體一樣,LED的最高容許結(jié)點溫度不能超過,以免導(dǎo)致過早老化或者完全失效。如果結(jié)點溫度要保持在臨界值以下,那么外界溫度升高時,最高容許正向電流則必須下降。不過,如果運用散熱器,在特定的外界溫度時正向電流可以增加。LED的光輸出隨著芯片結(jié)點溫度的升高而下降。上述情況主要發(fā)生在紅色和黃色LED,白色LED則與溫度關(guān)系較小。光照效率和正向電流保持同步增長,不過,安裝在結(jié)層和環(huán)境之間的LED所具備的高熱阻率可以降低乃至逆轉(zhuǎn)這種作用,這是因為隨著結(jié)點溫度的上升,發(fā)射光會降低。
此外,當(dāng)結(jié)點溫度上升且LED正向電壓與溫度保持同步增長時,發(fā)射光的主波長會以+0.1 nm / K的典型速率增長。各種白光LED驅(qū)動電路特性評比 1996年,日亞化學(xué)的中村氏發(fā)現(xiàn)藍光LED之后,白光LED就被視為照明光源最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M件,因此,有關(guān)白光LED性能的改善與商品化應(yīng)用,立即成為各國研究的焦點。目前,白光LED已經(jīng)分別應(yīng)用于公共場所的步道燈、汽車照明、交通號志、可攜式電子產(chǎn)品、液晶顯示器等領(lǐng)域。由于白光LED還具備豐富的三原色色溫與高發(fā)光效率的特性,一般認(rèn)為非常適用于液晶顯示器的背光照明光源,因此,各廠商陸續(xù)推出白光LED專用驅(qū)動電路與相關(guān)組件。鑒于此,本文就 LED專用驅(qū)動電路的特性與今后的發(fā)展動向進行簡單闡述。 1 定電流驅(qū)動的理由
1.1 白光LED的光度以順向電流規(guī)范
白光LED的順向電壓通常被規(guī)范成20mA時,最小為3.0V,最大為4.0V,也就是若單純施加一定的順向電壓時,順向電流會作大范圍的變化。
圖1是從A、B兩家LED企業(yè)的產(chǎn)品中隨機取三種白光LED樣品進行順向電壓與順向電流特性檢測的結(jié)果。根據(jù)檢測結(jié)果顯示,若利用3.4V順向電壓驅(qū)動上述六種白光LED時,順向電流會在10~44mA范圍內(nèi)大幅變動。表1為白光LED的電氣與光學(xué)特性。
由于白光LED的光度與色度是以定電流方式量測的,所以,為獲得預(yù)期的亮度與色度,通常是用定電流驅(qū)動。
表2 為光學(xué)坐標(biāo)的等級(rank)(IF=25mA,Ta=250C)。
1.2 避免順向電流超越容許電流值
為確保白光LED的可靠性,基本上就是需要設(shè)法避免順向電流超過白光LED的絕對最大設(shè)計值(定格值)。
圖2中,白光LED的定格最大順向電流為30mA,隨著周圍溫度的上升,容許順向電流則持續(xù)衰減,如果周圍溫度為50℃,通常順向電流就不能超過20mA。此外,利用定電壓的驅(qū)動方式不易控制流入LED的電流值,因此就無法維持LED的可靠性。
2 白光LED的驅(qū)動方法
圖3是驅(qū)動白光LED常用的四種電源電路;圖4是上述六種隨機取樣白光LED穩(wěn)定后的ReguLation精度特性。
圖4的測試結(jié)果顯示,ReguLator的負(fù)載特性出現(xiàn)在白光LED的VF角落上,即圖中的交叉點就是各白光LED的穩(wěn)定動作點。
2.1 使用電壓ReguLator的驅(qū)動方式
圖3(a)的電路分別使用可以控制LED電流的電壓ReguLator與BaLLast電阻,這種電路的優(yōu)點是電壓ReguLator種類豐富,設(shè)計者可以選擇的自由度較大,而且與電壓ReguLator、LED的接點只有一點;缺點是BaLLast造成的電力損失會導(dǎo)致效率惡化。此外,LED的順向電流也無法獲得精密控制。
圖4(a)中可以看出,隨機取樣六個白光LED的順向電流,從14.2mA到18.4mA分布范圍非常廣,因此,A廠商LED的(平均值)順向電流高達2.0mA。相比之下,圖4(b)電路使用的ReguLator雖然有小型、低成本的優(yōu)點,缺點是可能會無法滿足性能與可靠性的要求,也就是說本電路的實用性相對較弱。
2.2 使用定電流輸出的電壓ReguLator驅(qū)動方式
圖3(b)的電路雖然可以使流入LED的所有電流穩(wěn)定化,不過為了匹配(Matching)各LED的電氣特性,電路中特別設(shè)置了一組 BaLLast電阻。
圖3(b)中的MAX1910屬于定電流輸出型的電壓ReguLator,雖然本電路使用同廠商、同批號(Lot)的白光LED,獲得了極佳的匹配性,不過,在使用不同廠商與批號的LED時,就會出現(xiàn)很大的特性差異分布。本電流Regu-Lator使用類似圖3(a)的方式控制驅(qū)動電流,不過它卻可以使BaLLast電阻的消費電力降低一半左右。
圖4(b)的測試結(jié)果顯示,流入六個隨機取樣白光LED的電流,從15.4mA到19.6mA,變化范圍非常大。因此,A廠商與B廠商兩者的 LED是以平均17.5mA的電流驅(qū)動。此電路的缺點是BaLLast電阻造成的電力損失有殘留之虞,而且又無法獲得LED電流的匹配性;不過整體而言,本電路兼具動作特性與簡潔性,所以具有相當(dāng)程度的使用價值。
2.3 使用輸出型的MuLti PuLL電流Regu-Lator的驅(qū)動方式
圖3(c)的電路可以使流入LED的電流各自穩(wěn)定化,因此不需要使用BaLLast電阻,電流的精度與匹配性ReguLator則由各自的電流 ReguLator支配。
圖3(c)中的MAX1570 IC可以使上述電流ReguLation達成2%標(biāo)準(zhǔn)的電流精度,與0.3%標(biāo)準(zhǔn)的電流匹配性等目標(biāo)。
由MAX1570 IC構(gòu)成的電流ReguLator為低Drop Out Type,因此它的動作效率非常高。圖4(c)的測試結(jié)果顯示,使用圖3(c)的驅(qū)動電路時,流入六個隨機取樣白光LED穩(wěn)定化的電流為17.5mA。
雖然ReguLator與LED之間需要四個連接端子,不過此電路不需要BaLLast電阻,所以可以有效抑制封裝面積,因此非常適合應(yīng)用在封裝空間極為狹窄的小型液晶面板等領(lǐng)域。
2.4 使用升壓型電流ReguLator驅(qū)動的方式
圖3(d)的電路是利用可以使電流穩(wěn)定化的電感(Inductor),構(gòu)成所謂的高效率Step Up Converter。本電路的最大特點是 Feed Back ThreshoLd電壓,可以減少電流檢測用電阻的電力損失。此外,LED采用串聯(lián)方式連接,所以流入白光LED的電流即使是在各種要求下,都能夠與LED完全取得匹配。有關(guān)電流的精度基本上取決于Regu-Lator的Feed Back ThreshoLd精度,因此不會受到LED順向電壓的影響。
由MAX1848與MAX1561 IC構(gòu)成的電流ReguLator的效率(PLED/PIN)分別是:三個 LED+MAX1848,87%;六個LED+MAX-1561, 84%。
Step Up Converter的另一優(yōu)點是Regu-Lator與LED之間需要兩個連接端子,而且LED的使用數(shù)量不會受到Step Up Converter種類的影響,這意味著設(shè)計者會擁有更大的選擇空間。因此,Step Up Converter廣泛應(yīng)用在各種尺寸的液晶面板;電路的缺點是電感外形高度、組件成本偏高,有EMI輻射干擾。
3 結(jié)束語
以上介紹了白光LED常用的驅(qū)動電路,并通過實驗方式深入探討了各電路實際運行時的優(yōu)缺點和特性。由于LED結(jié)構(gòu)的限制,因此會有波長與驅(qū)動電流精度不易控制等困擾,隨著白光LED背光模塊應(yīng)用需求的不斷增加,如何改善上述波長與電流精度問題,同時降低驅(qū)動電路的制作成本,成為必須克服的問題。