1、光电子技术基础 -LED驱动电路设计课程,1.1 人类照明的发展过程与LED步入照明领域,照明是人类特有的改变自身环境的行为。在远古时期人类的智慧积累相对很少，照明基本依赖自然光照明，这与其它动物的照明条件基本相同。随着人类文明和生产力的不断进步，人类的活动已不仅仅限于白天的自然光照明，开始需要自然光以外的人类特有的照明方式。,第1章 LED的特性分析,白炽灯的发明,我们的前辈、发明家爱迪生发明了用电供电的白炽灯，并使白炽灯实用化。这一创举使得人类在整个20世纪在有电的环境下无一例外的采用电灯照明，从而消除了火焰照明带来的空气污染。然而，白炽灯的效率相对很低，仅有7%的电能转换为光能。从电能的
2、利用率角度考虑这是一种效能低的人工照明方式，普通的白炽灯光效大约在每瓦10流明左右。因此人类将不断的追求效能更高的应用电能的照明方式。,荧光灯的发明使照明进入高效照明时期,美国人伊曼，在1938年发明了荧光灯。这是一种利用气体放电原理发光的新型光源。其光效从每瓦10流明增加到最初的每瓦40流明以上。很显然荧光灯的发光效果远高于白炽灯。随着荧光灯制造技术的不断进步，现在的荧光灯的最高光效可以达到每瓦110流明！然而不可否认的是，荧光灯的不仅体积大，还有汞污染的的问题，尽管现在的荧光光灯的含汞量已经大大的减小了。而且是否还有更洁净、更高光效的电光源则是人类不断的追求。,发光二极管的发明是照明进入固
3、体照明时期,20世纪60年代末发光二极管（英文名：light emitting diode简称LED）问世。以后的很长一段时间内的可见光的LED仅仅是红光、黄光、绿光的LED。不仅如此，这时的LED光效也是很低的。LED具有体积小、不怕磕碰的优点，不像白炽灯和荧光灯那样容易破碎。如果其光效能够达到或超过荧光灯的光效，而且成本能够降下来，则LED就会成为性能更加优异的电光源器件，这就是如今LED应用红火的主要原因之一。,白光LED的出现才真正的实现了LED照明,LED进入照明领域是蓝光LED发明后的事情，在此以前的LED都是单色的。跟据三基色原理，要利用单色光合成白光需要不可缺少的蓝光。因此蓝光
4、LED的发明称为LED进入照明领域的关键技术之一。LED能够进入照明领域的另一个关键技术就是经一步提高LED的光效。,各种电光源光效及其发展,白光LED的发展历程,从图中可以看到，即使是本世纪的前几年，LED的光效还是很低的，甚至在世纪交替时LED的光效与白炽灯差不多，直到2007年以后LED的光效才达到荧光灯的水平。随着LED制造技术的提高，2005年以后，LED的光效在快速增长，目前的白光LED的光效已超过每瓦100流明。当照明用的白光LED成本降低到可以大量商用的时候，LED照明时代就会真正的到来。,（1）LED正向特性,LED特性与普通的二极管相似，所不同的主要是不同颜色LED的正向电
5、压不同。在实际应用中，利用的是LED正向特性。对于一般作为指示灯用的LED，其正向电流大多为10mA左右。其正向电压分别为红外：约1V；红光：1.2V；绿光：1.4V；蓝光约3V。,1.2 LED的基本特性,图1.2 红光的LED光谱,（2）LED光谱,图1.3 黄光的LED光谱,图1.4 绿光的LED光谱,图1.5 蓝光的LED光谱,（3）LED的指向性,LED是利用LED芯片发光，通过LED的外封装聚光或散光，不管聚光还是散光，LED发光的指向性强于其它电光源。LED的指向性可以分为：强指向型，一般指向型和散射型。强指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5
6、20或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。一般指向型。通常作指示灯用，其半值角为2045。散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。,是否单色LED就可以作为照明用电光源呢？如果一种照明光源的光谱与太阳光的光谱相差甚远，则人眼会感觉非常不舒服的，而且也会导致快速的用眼疲劳，近视就是这类用眼疲劳的最明显的表现。作为照明用的电光源的光谱引进可能的与太阳光的光谱相接近。一般的评判方法是评判光源与白光的接近程度，即显色性。,（1）照明用LED的光谱特性,1.3 用于照明的LED基本特性,在海平面上的太阳的可见光光谱,太阳光谱图,人
7、眼、白炽灯和各种LED,标准白光和白光LED,要想让LED发出的光谱能够与太阳光相近，需要利用三基色原理将红、绿、蓝三种光通过合适的比例混合成“白光”。一般的白光LED的实现方法是在蓝色LED表面涂黄色荧光粉来获得所谓的白光，这种白光LED的光谱特性如图,利用红、绿、蓝三种颜色的LED组获得白光LED,很显然，利用合适的红、绿、蓝组合而成“白光”的显色性优于用荧光粉产生“白光”的显色性，但使用三种单色LED组合成的光谱特性相对利用蓝光LED附加荧光粉的方法要复杂的多，而且一旦工作条件稍有改变，其光谱特性就会随之改变。不同色温的LED的光谱特性也不相同。,CREE公司的不同色温白光LED的光谱特
8、性,（2）高亮度白光LED,一般的LED的工作电流仅1020mA，对应的灯功率也仅仅4060mW。而且一般的LED光强度比较低，也就是说光效比较低。不仅灯功率要大幅度提高，而且单位功率的光通量（光效）也要大幅度提高。这种大功率高亮度的LED通常被称为“高亮度LED”，英文名为：“High Brightness LEDs”，英文缩写为“HB LED”。HB LED的灯功率一般在0.5W以上，对应的灯电流至少在100mA以上。,1XP-E LED系列的特点,有白色（2 600K10 000K）、蓝色、绿色、黄色、红色及红橙色可选；最大驱动电流可达1A；低热阻，仅9/W；最高结温150；视角宽，可达
9、115到130；在环境不超过30、相对湿度不超过85%的条件下，使用寿命不受限制；散热部分不带电，也就是说将LED芯片与散热底座是电气隔离的。,1.4 高亮度（HB）LED的电气特性,表XP-E LED系列的白光LED的光通量特性,2.光通量特征,3.光通量与结温的关系,XP-E LED系列的白光LED在正向电流350mA条件下的白光部分相对光通量与结温的关系如图,4.电气特征,XP-E LED系列的白光LED的正向电压与正向电流的关系如图：,这个特性与普通二极管的正向特性相似，不同的是HB LED正向电压值高于普通二极管。由于HB LED的正向电压远高于普通二极管的正向电压，因此HB LED
10、的正向电压变化对工作电流影响非常大，可以达到正向电压变化5%，正向电流就会随之变化40%！这就是说HB LED的正向电压变化5%就会导致其光通量变化35%以上！,如图,从图中可以看到，HB LED的正向电压为3.4V左右时的正向电流为700mA，而将HB LED的正向电压降低到3.3V左右时，HB LED的正向电流下将带约500mA。如果是工频导致的HB LED正向电压的变化，就会出现100Hz的闪烁，尽管这个频率的闪烁对视觉影响不大，但是工频镇流电感导致的荧光灯的闪烁却成为荧光灯的一大诟病，如果供电质量不佳而导致的工频闪烁，则HB LED也难免存在闪烁的问题。,5.热特性,最大正向电流由LE
11、D的管芯到环境之间的热阻决定。最终LED产品射击方式必须能够将焊盘到环境之间的热阻减至最小，以便延长LED的使用寿命。,XP-E LED系列的白光LED环境温度与正向电流以及管芯到环境的热阻之间的关系,6.光通量与电流的关系,加大HB LED正向电流会使得HB LED输出的光通量增加。XP-E LED系列的白光LED的正向电流与光通量之间的关系如图：,7.光强分布形式,尽管XP-E LED系列的白光LED是广角的，但是，LED本身特性决定了它具有比较强的指向性，也就是说在LED的正面的光强最强，随着偏离LED的正面，光强减弱，当偏离角越大光强衰减的越厉害。在LED的正面40范围内的光强度衰减的
12、比较慢 当偏离LED的正面45以后，光强度衰减的比较快，当偏离正面90时基本上就没有什么光强度了。这一点LED的指向性比其它点光源都明显。XP-E LED系列的白光LED的光强度分布形式如图,XP-E LED系列的白光LED的光强度分布形式,1.5 高亮度（HB）LED的寿命特性,HB LED的使用寿命虽应用条件改变。在制造商给定的条件下HB LED的寿命很长，据称可以达到数万小时，这个数值远远高于各种文献中所给的白炽灯的1000小时、荧光灯的5000小时。HB LED寿命终了的指标。HB LED寿命与应用条件有关，主要是工作电流和工作温度关系最大。,HB LED的工作电流、工作温度与寿命的关
13、系,1.6 LED的应用,从LED问世，LED以其寿命长、节电、体积小、电磁干扰小等优点在各种指示灯领域中替代白炽灯、氖管等；LED的数码管问世，使得LED数码管迅速的取代了真空管、气体放电管的数码显示方式；除此之外各种LED显示屏也是普通LED所独有的应用领域。随着高亮度白光LED的问世，LED的应用领域得到了极大的拓展。,1.6.1 液晶显示板的背光,传统的电视机和电脑显示器等都是应用真空显像管作为图像显示器件的。随着液晶竟如电视机、电脑显示器领域。液晶电视机、电脑显示器以厚度非常薄占用空间小而迅速的“取代”了CRT（Cathode Ray Tube阴极射线管）电视机、电脑显示器。,液晶显
14、示需要背光，传统的液晶电视机、电脑显示器的背光是采用冷阴极荧光灯CCFL作为背光光源的，这需要一个均匀光源的白板置于CCFL和液晶屏之间。这样，CCFL和白板将占有比较大的厚度，尽管这个厚度远远小于真空显像管，毕竟这个背光系统使得液晶电视机的厚度约10cm左右。采用LED背光后，液晶电视机的厚度可减薄到30mm以下，甚至有的LED背光的液晶电视机的厚度可以降低到20mm左右！,采用LED背光的笔记本电脑的厚度、重量和功耗也都有明显的降低。除液晶电视、电脑之外，很多手持式视频、以及很多掌上阅读器，手机等便携式产品的液晶显示的背光几乎都采用了LED背光。从以上液晶显示的背光光源看，高亮度白光LED
15、将有着很大的市场。,1.6.2 汽车电子,LED在交通方面的应用首先是交通灯，因为红绿黄色的LED早已商业化，交通等采用LED后，不仅可以降低用白炽灯作为交通等的耗电，最大的好处是LED的寿命远远长于白炽灯。特别是在频繁的开关状态下。当汽车步入电子时代后，很多汽车电流子产品选用了LED 。,例如：汽车转向灯以及刹车灯大多采用了LED其主要原因有：LED节电，节电就意味着节油，而且发热相对低，这就会带来更好的安全性；寿命长则是另外一个优点。一旦LED的成本降低到可以加收的程度，LED取代白炽灯作为汽车的转向灯以及刹车灯就是一个水到渠成的事。,随着高亮度白光LED的问世，人们也开始梦想汽车的前灯用
16、LED替代，这会节省更多的电能，特别在夜间，这种节能会比转向灯以及刹车灯更为明显。现在的问题是何时能够做出10W20W的高亮度白光LED？至少现在，市面上很少看到5W以上的HB LED，而且这种LED大多需要工作在一般功率状态下。当然可以通过数只LED串联获得更大的功率。需要注意的是，随着汽车电子的飞速发展，12V电压等级的供电所需要提供的巨大电流将使得供电系统变得越来源难以承受。,除了汽车的前灯以及各种指示灯。汽车仪表盘的背光照明、地图灯、顶部照明、连续照明、车牌照明、装饰用重点照明以及信号灯照明都可以采用白光LED 。,1室内局部照明,作为室内的局部照明会装潢，LED是一个很好的选择。在局
17、部照明和装潢中将充分发挥LED指向性好的优点把局部照明和装潢照明尽情渲染。,1.6.4室内照明,2室内一般照明,作为室内的主照明，LED还不能胜任，其主要原因是：成本太高，要想作为1520平方米的室内照明，至少要有4060W的高亮度LED照明才能感到与两只T5/28W三基色荧光灯（光效在每瓦100lm以上）相似的舒适度。现在，1W及其以上的高亮度白光LED的单价不会低于10元人民币，是想40只就是400多元！这与6元人民币一只的荧光灯管的差价，大众是决不会接受的！当然，作为豪华装修，LED还是很时尚的。,1.6.5 大屏幕LED显示器,在大街和广场上以及一些人群聚集场所经常会看到大屏幕LED显
18、示屏，在08年北京奥运会的开幕式上，人们看到了任何显示器后不能比拟的巨大屏幕的LED显示屏，北京火车站广场东侧也会看到大屏幕LED显示屏，为过往后车乘客消遣寂寞，了解国内外新闻。这些是液晶显示器所达不到的尺寸。,1.7 LED照明需要解决的问题,LED有这么多的优点，是不是LED已近打遍天下了？还没有，因为有很多问题还没有解决，一旦这些问题得到解决，就是高亮度白光LED普遍应用之时。,1成本与应用的矛盾,白炽灯电灯已面世很多年，对于许多多年未改的技术标准，我们的家居照明系统一直也在沿用许多多年未改的技术标准，这个情况并非一朝一夕可以改变过来。例如，基于散热及照明角度等问题，原有的旧式电灯插座或
19、装置并不适宜用来安装LED灯泡。但除了技术问题之外，成本效益也亦是使LED灯无法普及的最大原因。钨丝灯泡及霓虹光管的售价约为US$0.6-0.7/Klm，但目前LED灯的售价仍然高达US$40-50/Klm。一个200W的LED照明系统需要6 000元人民币！,2光效,高功率LED每瓦的亮度可达100流明(注：普通的白炽灯亮度为15流明/瓦，节能灯为70流明/瓦)，为节能提供了无限可能。但是需要清楚的是，比LED廉价的多的荧光灯的光效也超过了每瓦100lm。因此现在并不能说LED的光效是各种常用的点光源中最高，除非能达到每瓦150lm。,3显色性,白光LED的显色性并不高不用说显色性最好的白炽灯，就是连三基色荧光灯都不如。最讨厌的是白光LED中带有强烈的令人厌恶的蓝光，这在白光LED的光谱中看得很清楚。如果选用暖白型LED，光效就会大打折扣。,4散热问题,白炽灯基本不存在散热问题，荧光灯由于体积大也不存在散热问题。由于LED是一种半导体器件，管芯体积小，单位功率非常高如果不能良好的散热就会烧毁管芯，即使没有达到烧毁管芯的温度，LED的寿命也会大打折扣。因此要限制LED管芯的温度，这就需要像大功率晶体管那样给LED配足够的散热器，这样LED体积小的优势就荡然无存。,
