李心宏 信明陽(yáng)

1.營(yíng)口卷煙廠，遼寧營(yíng)口 115002； 2.沈陽(yáng)航空六二六科技有限責(zé)任公司 ，遼寧 沈陽(yáng) 110034

高亮LED應(yīng)用及驅(qū)動(dòng)電路探討

李心宏1信明陽(yáng)2

1.營(yíng)口卷煙廠，遼寧營(yíng)口 115002； 2.沈陽(yáng)航空六二六科技有限責(zé)任公司 ，遼寧 沈陽(yáng) 110034

進(jìn)入能源高消耗時(shí)代，人們開(kāi)始對(duì)LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用投以關(guān)注的目光，伴隨著白光高亮LED的出現(xiàn)，—場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命正在到來(lái)。高亮LED 照明以其高效、節(jié)能、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而如何實(shí)現(xiàn)對(duì)高亮LED的驅(qū)動(dòng)，成為目前人們急需解決的課題之一。本文介紹了高亮LED的應(yīng)用，并對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了探討。

LED ；應(yīng)用；驅(qū)動(dòng)；恒流

1、高亮LED簡(jiǎn)介

發(fā)光二極管(LED)發(fā)明于20世紀(jì)60年代，它是利用半導(dǎo)體材料中的電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，使得能量帶位階改變，以發(fā)光的形式顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電壓低、耗電量低、反應(yīng)速率快、耐震性佳等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)指示、數(shù)碼顯示等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，是LED從標(biāo)識(shí)功能向照明功能跨出的實(shí)質(zhì)性一步，如今，用于裝飾照明領(lǐng)域的LED顯示屏已經(jīng)廣為人知。不過(guò)，業(yè)界預(yù)計(jì)普及高亮LED燈的日常照明還要數(shù)年之后。表1為白光LED與傳統(tǒng)白熾燈性能參數(shù)對(duì)比：

表1

從以上參數(shù)可以看出，高亮LED對(duì)傳統(tǒng)白熾燈有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，而與其他傳統(tǒng)光源相比，高亮LED無(wú)論是在壽命、節(jié)能還是在環(huán)保、響應(yīng)速度方面優(yōu)勢(shì)亦是相當(dāng)?shù)拿黠@。

2、高亮LED的應(yīng)用

高亮LED以其亮度高、能耗低、環(huán)保實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前已有很多廠家生產(chǎn)高亮LED 燈類產(chǎn)品，例如：護(hù)欄燈、燈杯、投射燈、交通指示燈、手持照明燈，等等。在工業(yè)領(lǐng)域，高亮LED照明的應(yīng)用也日趨廣泛。以煙草行業(yè)為例，在卷煙生產(chǎn)線設(shè)備上，機(jī)臺(tái)通常采用日光燈照明方式，其缺點(diǎn)是照明效率低、使用壽命短、可維護(hù)性差，安裝繁瑣。而采用高亮LED燈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的日光燈，則會(huì)較好地解決上述問(wèn)題，并且可根據(jù)客戶要求采用安全電壓供電方式（例如：直流24V），因此受到使用者的廣泛認(rèn)可。

3、LED驅(qū)動(dòng)方式探討

為了保證照明級(jí)高亮LED能獲得較高的使用效率，得到良好的應(yīng)用，需要滿足LED的各種應(yīng)用條件，其中一個(gè)條件就是需要采用相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)滿足LED的參數(shù)配合要求。

LED按照功率和發(fā)光亮度可以劃分為大功率LED、高亮度LED及普通LED。一般來(lái)說(shuō)，大功率LED的功率至少在1W以上，目前比較常見(jiàn)的有1W、3W、5W、8W和10W幾種，工業(yè)生產(chǎn)上使用的多種型號(hào)的機(jī)臺(tái)照明燈，因現(xiàn)場(chǎng)空間及安裝方式的限制均采用高亮LED，其工作電壓為直流3.1～3.3V，電流18～20mA。LED的驅(qū)動(dòng)方式都是直流驅(qū)動(dòng)，而直流驅(qū)動(dòng)又分為恒壓和恒流兩種方式。如何在輸入市電的情況下，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路成為必須解決的問(wèn)題。

3.1 恒壓驅(qū)動(dòng)：

根據(jù)LED的電壓、電流變化特性，很多廠家生產(chǎn)的LED 燈類產(chǎn)品采用恒壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)非是采用阻、容降壓，然后加上一個(gè)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，或用開(kāi)關(guān)電源方式，向LED 供電，但是這樣驅(qū)動(dòng)LED 的方式存在極大缺陷。

3.1.1 阻、容降壓加二極管穩(wěn)壓方式：首先是降壓電阻將消耗比較大的電能，導(dǎo)致此種方式工作效率不高。其次，在照明應(yīng)用中，勢(shì)必采用較多數(shù)量的高亮LED，這樣一來(lái)將不得不使用較多數(shù)量的穩(wěn)壓二極管，一來(lái)，電路將變得較為復(fù)雜龐大；二來(lái)，一旦某個(gè)穩(wěn)壓二極管損壞（比如擊穿），將直接導(dǎo)致該路所有LED無(wú)法工作，從而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

3.1.2 開(kāi)關(guān)電源方式：首先，開(kāi)關(guān)電源將消耗比較大的電能，并且散熱量大，從而使得該方式效率不高，并影響產(chǎn)品壽命。其次開(kāi)關(guān)電源元器件較多，一方面使得產(chǎn)品體積增大，限制了LED的應(yīng)用，另一方面元器件過(guò)多也將使產(chǎn)品故障率有所上升。此外，開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓能力無(wú)法滿足LED的正常工作要求，比如在工業(yè)生產(chǎn)線中，因環(huán)境溫度的變化，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓將有小范圍波動(dòng)，而LED本質(zhì)上仍是一個(gè)二極管，是一個(gè)非線性器件，當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí)，只要LED上的電壓稍微變化，電流就會(huì)增加或減少很多。因此，也會(huì)大大影響LED器件的工作，使電流過(guò)大甚至導(dǎo)致發(fā)熱損壞或者電流過(guò)小無(wú)法提供正常的照度。

3.2 恒流驅(qū)動(dòng)：

采用恒流源驅(qū)動(dòng)，LED上流過(guò)的電流將不受電壓變化、環(huán)境溫度變化，以及LED參數(shù)離散性的影響，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。實(shí)踐已經(jīng)證明，恒流源驅(qū)動(dòng)是較為合適的LED驅(qū)動(dòng)方式。

圖1

目前廣泛采用的恒流源有三種形式：一種是線性電源改進(jìn)型恒流源，第二種是開(kāi)關(guān)電源式恒流源，還有一種是目前市面上出現(xiàn)的芯片式恒流源。

圖2

（1）線性改進(jìn)型恒流源：這種電路一般由運(yùn)放和三極管及其他必要元件組成，如圖1所示。該電路能夠較好地實(shí)現(xiàn)我們構(gòu)建恒流源的要求。

圖2是實(shí)際應(yīng)用的以恒流驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的高亮LED照明燈電路。

以此電路設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，總功率為4W，調(diào)節(jié)電阻為R6，其電流計(jì)算方式為2.5V/R6，為保證高亮LED的工作壽命，在保證其正常照度的情況下，我們將其電流限制在18～20mA。經(jīng)實(shí)際測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試機(jī)驗(yàn)證，在90～140VAC輸入情況下，工作穩(wěn)定，電流變化范圍在17～20mA，此外，在實(shí)際測(cè)試及應(yīng)用中高亮LED幾乎從未出現(xiàn)過(guò)LED個(gè)體出現(xiàn)斷路無(wú)法導(dǎo)通的情況，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行1年以上無(wú)故障出現(xiàn)很好的說(shuō)明了這種情況。

4.存在的問(wèn)題：

目前市場(chǎng)上的高亮LED個(gè)體之間的伏安特性的差異，從而使得在幾路LED并聯(lián)的情況下，可能存在電流分配不均勻的現(xiàn)象。因此，希望每路恒流源只帶一路負(fù)載，這樣一來(lái)，單路恒流電路的帶載能力將非常有限，要想構(gòu)建一個(gè)包含幾十只高亮LED的照明電路，恒流源部分的器件將占用大量的空間，這在實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中將造成不小的障礙，尤其是在客戶要求限制產(chǎn)品外形和尺寸的情況下。

4.1 開(kāi)關(guān)電源式恒流源：這種驅(qū)動(dòng)方式類似于開(kāi)關(guān)電源式恒壓源，在實(shí)際應(yīng)用中雖然可滿足性能指標(biāo)要求，但電路過(guò)于復(fù)雜，元器件過(guò)多及占用空間過(guò)大。在一般的民用市場(chǎng)，工作環(huán)境溫度不高，安裝尺寸比較寬松的情況下，可以考慮使用。

4.2 芯片式恒流源：目前隨著高亮LED的普及應(yīng)用市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種型號(hào)的恒流源驅(qū)動(dòng)芯片，使產(chǎn)品的集成度大大提高。但大多數(shù)的芯片帶載能力有限，并且需要額外提供直流電源，這在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)會(huì)成為一種障礙。

5 .結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)合理的燈具結(jié)構(gòu)(包括LED單體的排列和位置布局)和研究低成本、高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路，是保證LED具有持久亮度的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，由于LED芯片設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和材料及驅(qū)動(dòng)方式等諸多因素的限制，完全取代傳統(tǒng)的白熾燈還要有一個(gè)過(guò)程。隨著高亮LED技術(shù)的發(fā)展，高亮LED的功率會(huì)進(jìn)一步提高，成本也會(huì)降低，LED照明代替?zhèn)鹘y(tǒng)的照明方式已是大勢(shì)所趨，LED照明正在逐步影響著人們的生產(chǎn)生活，LED技術(shù)的應(yīng)用必將在更深更廣的范圍內(nèi)全面展開(kāi)。

[1] 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華. LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用. 人民郵電出版社,2006～12

[2] 諸昌鈐.LED顯示屏系統(tǒng)原理機(jī)工程技術(shù).電子科技大學(xué)出版社,2000-12-1

[3] 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.半導(dǎo)體照明.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2006～03

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.06.049