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LED 调光归纳调光归纳 1LED 介绍介绍 发光二极管 英语 Light Emitting Diode 简称 LED 是一种 能发光的半导体电子元件 是一种透过三价与五价元素所组成的复合 光源这种电子元件早在 1962 年出现 早期只能发出低光度的红光 被 hp 买价专利后当作指示灯利用 之后发展出其他单色光的版本 时至今日能发出的光已遍及可见光 红外线及紫外线 光度也提高到 相当的光度 LED 被称为第四代照明光源或绿色光源 具有节能 环保 寿 命长 体积小等特点 广泛应用于各种指示 显示 装饰 背光源 普通照明和城市夜景等领域 根据使用功能的不同 可以将其划分为 信息显示 信号灯 车用灯具 液晶屏背光源 通用照明五大类 1 1LED 的原理的原理 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把电转化为 光 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起 来 半导体晶片由两部分组成 一部分是 P 型半导体大功率 LED 灯 珠 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要 是电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 LED 在正向电压下 电子从电源获得能量 在电场的驱动下 克服 PN 结的电场 由 N 区跃迁到 P 区 这些 电子与 P 区的空穴发生复合 由于漂移到 P 区的自由电子具有高于 P 区价电子的能量 复合时电 子回到 低能量态 多餘的能量以光子的形式放出 这就是 LED 发光 的原理 而光的波长也就是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的 发出光子的波长与能量差 Eg 相关 其大小是由材料本身决定的 与 外电场无关 1 2LED 的性能的性能 1 2 1LED 电学特性电学特性 I V 特性特性 I V 特性表征 LED 芯片 PN 结制备性能主要参数 LED 的 I V 特 性具有非线性 整流性质 单向导电性 即外加正偏压表现低接触电 阻 反之为高接触电阻 1 正向死区 图OA 或OA 段 A点对于V0 为开启电压 0 V V0 IF IS eqVF KT 1 IS 为反向饱和电流 当 V 0 时 V VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升 IF ISeqVF KT 3 反向死区 V 0 时 PN 结加反偏 当 V VR 时 反向漏电流 IR V 5V 时 GaP 为 0V GaN 为 10uA 4 反向击穿区 V VR VR 称为反向击穿电压 VR 电压对应 IR 为 反向漏电流 当反向偏压一直增加使 VTa 时 内部热量借助管座向外传热 散逸热量 功率 响应时间响应时间 主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗 LED的点亮时间 上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常 的 10 开始 一直到发光亮度达到正常值的 90 所经历的时间 LED熄灭时间 下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10 所经 历的时间 不同材料制得的 LED 响应时间各不相同 如 GaAs GaAsP GaAlAs 其响应时间6000h 1 2 3 热学特性热学特性 LED 的光学参数与 PN 结结温有很大的关系 一般工作在小电流 IF 10mA 或者 10 20mA 长时间连续点亮 LED 温升不明显 若环境 温度较高 LED 的主波长或 p 就会向长波长漂移 BO 也会下降 尤其是点阵 大显示屏的温升对 LED 的可靠性 稳定性影响应专门 设计散射通风装置 LED 的主波长随温度关系可表示为 p T 0 T0 Tg 0 1nm 由式可知 每当结温升高 10 则波长向长波漂移 1nm 且发 光的均匀性 一致性变差 这对于作为照明用的灯具光源要求小型化 密集排列以提高单位面积上的光强 光亮度的设计尤其应注意用散热 好的灯具外壳或专门通用设备 确保 LED 长期工作 1 3LED 的应用的应用 绿色能源绿色能源 1 3 1 用于建筑物外观照明用于建筑物外观照明 1 3 2 景观照明 特效景观 植物照明景观照明 特效景观 植物照明 1 3 3 娱乐场所和舞台照明娱乐场所和舞台照明 1 3 4 室内居家照明室内居家照明 1 3 5 视频屏幕 车辆路标指示视频屏幕 车辆路标指示 2LED 驱动介绍驱动介绍 LED 驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动 LED 发光的电压转换器 通常情况下 LED 驱动电源的输入包括高压工 频交流 即市电 低压直流 高压直流 低压高频交流 如电子变 压器的输出 等 而 LED 驱动电源的输出则大多数为可随 LED 正向 压降值变化而改变电压的恒定电流源 2 1 驱动电源的分类驱动电源的分类 2 1 1 根据根据驱动方式驱动方式 1 恒流式 a 恒流驱动电路输出的电流是恒定的 而输出的直流电压却随 着负载阻值的大小不同在一定范围内变化 负载阻值小 输出电压就 低 负载阻值越大 输出电压也就越高 b 恒流电路不怕负载短路 但严禁负载完全开路 c 恒流驱动电路驱动 LED 是较为理想的 但相对而言价格较高 d 应注意所使用最大承受电流及电压值 它限制了 LED 的使用 数量 2 稳压式 a 当稳压电路中的各项参数确定以后 输出的电压是固定的 而输出的电流却随着负载的增减而变化 b 稳压电路不怕负载开路 但严禁负载完全短路 c 以稳压驱动电路驱动 LED 每串需要加上合适的电阻方可使 每串 LED 显示亮度平均 d 亮度会受整流而来的电压变化影响 2 1 2 根据根据电路结构方式分类电路结构方式分类 1 电阻 电容降压方式 通过电容降压 在闪动使用时 由 于充放电的作用 通过 LED 的瞬间电流极大 容易损坏芯片 易受 电网电压波动的影响 电源效率低 可靠性低 2 电阻降压方式 通过电阻降压 受电网电压变化的干扰较 大 不容易做成稳压电源 降压电阻要消耗很大部分的能量 所以这 种供电方式电源效率很低 而且系统的可靠也较低 3 常规变压器降压方式 电源体积小 重量偏重 电源效率 也很低 一般只有 45 60 所以一般很少用 可靠性不高 4 电子变压器降压方式 电源效率较低 电压范围也不宽 一般 180 240V 波纹干扰大 5 RCC 降压方式开关电源 稳压范围比较宽 电源效率比较 高 一般可以做到 70 80 应用也较广 由于这种控制方式的振 荡频率是不连续 开关频率不容易控制 负载电压波纹系数也比较大 异常负载适应性差 6 PWM 控制方式开关电源 主要由四部分组成 输入整流滤 波部分 输出整流滤波部分 PWM 稳压控制部分 开关能量转换部 分 PWM 开关稳压的基本工作原理就是在输入电压 内部参数及外 接负载变化的情况下 控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进 行闭环反馈 调节主电路开关器件导通的脉冲宽度 使得开关电源的 输出电压或电流稳定 即相应稳压电源或恒流电源 电源效率极高 一般可以做到 80 90 输出电压 电流稳定 一般这种电路都有 完善的保护措施 属高可靠性电源 2 2 驱动电源的参数性能驱动电源的参数性能 3 调光方案调光方案 3 1 调光的种类调光的种类 3 1 1 采用直流电源调光技术采用直流电源调光技术 1 通过改变正向电流大小来改变灯的亮度 2 采用脉宽调制 PWM Pulse Width Modulation 来调光 将电源改 成脉冲恒流源 通过改变脉冲宽度来调节光的亮度 改变平均 电流 I 峰值 占空比 3 1 2 采用交流电源调光技术采用交流电源调光技术 可控硅调光可控硅调光 通过对交流信号的正弦波进行切割改变其有效值来改变灯的亮 度 3 2 调光方案的介绍调光方案的介绍 3 2 1 改变正向电流大小调光改变正向电流大小调光 1 最简单的方法是在电路中通过可调电阻改变串联电路中负载的大 小 来改变电路电流来调光 2 该调光方案效率低 在改变正向电流大小时会是色谱发生偏移同 时无法得到精确的调光 3 2 2PWM 脉宽调光脉宽调光 1 占空比 在一串理想的脉冲序列中 如方波 正脉冲的持续时 间与脉冲总周期的比值 在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与 总时间的比值 在周期型的现象中 现象发生的时间与总时间的比 2 调光频率 3 调光占空比 4 原理 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高 分辨率计数器的使用 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号 的电平进行编码 PWM 信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全无 OFF 电压或电流 源是以一种通 ON 或断 OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去 的 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 断的时候即是供电 被断开的时候 只要带宽足够 任何模拟值都可以使用 PWM 进行编 码 计算公式 ONOF ON M TT T II 上图显示了三种不同的 PWM 信号 图 1a 是一个占空比为 10 的 PWM 输出其中 10 的时间通 其余 90 的时间断 图 1b 和图 1c 显示的分别是占空比为 50 和 90 的 PWM 输出 这三种 PWM 输出 编码的分别是强度为满度值的 10 50 和 90 的三种不同模拟信号 值 例如 假设供电电源为 9V 占空比为 10 则对应的是一个幅 度为 0 9V 的模拟信号 5 优缺点 1 不会产生任何 LED 色谱偏移 因为 LED 始终工作在满幅度电流 和 0 之间 2 有极高的调光精确度 因为脉冲波形完全可以控制到很高的精 度 所以很容易实现万分之一的精度 3 即使在很大范围内调光 也不会发生闪烁现象 因为不会改变 恒流源的工作条件 升压比或降压比 更不可能发生过热等问题 4 可以和数字 DALI DSI DMX 512 控制技术相结合来进行控制 因为数字控制信号很容易变换成为一个 PWM 信号 缺点 1 脉冲频率的选择 因为 LED 是处于快速开关状态 假如工作频 率很低 人眼就会感到闪烁 为了充分利用人眼的视觉残留现象 它 的工作频率应当高于 100Hz 最好为 200Hz 2 PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的 噪声 audible noise 或者 microphonic noise 因为一个低频的开关信 号作用于普通的绕线电感 wire winding coil 会使得电感中的线圈 之间互相产生机械振动 该机械振动的频率正好落在 200Hz 到 20kHz 之间 电感发出的噪音就能够被人耳听见 电感产生了一部分噪声 另一部分来自输出电容 现在有人采用陶瓷电容作为驱动器的输出电 容 陶瓷电容具有压电特性 这就意味着 当一个低频电压纹波信号 作用于输出电容 电容就会发出吱吱的蜂鸣声 当 PWM 信号为低时 白光 LED 驱动器停止工作 输出电容通过白光 LED 和下端的电阻进 行放电 因此在 PWM 调光时 输出电容不可避免的产生很大的纹波 总之 为了避免 PWM 调光时可听得见的噪声 白光 LED 驱动器应 该能够提供超出人耳可听见范围的调光频率解决这个问题有两种方 法 一是把开关频率提高到 20kHz 以上 跳出人耳听觉的范围 另一 种方法是找出发声的器件而加以处理 3 2 3 可控硅调光可控硅调光 1 工作原理 利用相位触发电路实际上是交流触发电路的一种 如上图 这个 电路的方法是利用 RC 回路 通过改变时间常数 RC 调节 R 的阻值 来控制触发信号的相位 当 R 值较少时 RC 时间常数较少 触发信 号的相移 A1 较少 因此负载获得较大的电功率 当 R 值较大时 RC 时间常数较大 触发信号的相移 A2 较大 改变触发脉冲的施加时间 或相位 即改变导通角 j 或控制角 a 的大小 来调节调光器输出的 电压有效值 然后驱动电源通过检测可变相位 导通角 来对 LED 恒流输出进行调整 从而达到调节 LED 光通量 2 优缺点 缺点 1 可控硅破坏了正弦波的波形 从而降低了功率因素值 通常 PF 低于 0 5 而且导通角越小时功率因素越差 1 4 亮度时只有 0 25 2 同样 非正弦的波形加大了谐波系数 3 非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号 EMI 4 在低负载时很容易不稳定 为此还必须加上一个泄流电阻 而 这个泄流电阻至少要消耗 1 2 瓦的功率 5 在普通可控硅调光电路输出到 LED 的驱动电源时还会产生意 想不到的问题 那就是输入端的 LC 滤波器会使可控硅产生振荡 这 种振荡对于白炽灯是无所谓的 因为白炽灯的热惯性使得人眼根本看 不出这种振荡 但是对于 LED 的驱动电源就会产生音频噪声和闪烁 优点 可控硅调光虽然有那么多的缺点和问题 但是 它却有着一定的 的优势 那就是它已经和白炽灯卤素灯结成了联盟 占据了很大的调 光市场 如果 LED 想要取代可控硅调光的白炽灯和卤素灯灯具的位 置 就也要和可控硅调光兼容 3 3 调光测试调光测试 3 3 1 性能测试性能测试 1 驱动电源测试 驱动电源测试 主要是针对驱动电源测试是否在额定输入电压内能够在额定工 作范围内工作 输出电流是否稳定 输出电压波动 输出功率是否满 足要求 纹波电压 电流 温度性能 过流过压保护 电磁兼容性等 2 综合测试 综合测试 主要是针对调光过程 输出电流的稳定性 亮度控制 调光范 围 灯光闪频现象