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LED光源的應用

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LED光源的應用

發布日期:2020-12-16 作者: 點擊:

LED照明行業是一個新興的行業,它以其 獨特的優點深受人們的青睞。如今在光電工程中,提高光效,節約能源和高可靠性已經成為人們共同追求的目的。我們在討論和使用LED光源時,都會想到LED 的壽命長、節約能源、亮度高等特點。也正是因為如此LED光源才倍受歡迎。LED光源雖有以上優點,卻并不如人們所說的那么神奇。只有給其配上合適、高效 的LED電源、合理的電路設計、完善的防靜電措施、正確的安裝工藝才能充分發揮和利用LED光源的以上優點。

一、LED壽命的理解

        LED的使用壽命,一般認為在理想狀態下有10萬小時。實際在使用過程中其光強會隨使用時間的推移逐漸衰減,即電能轉化為光能的效率逐漸降低。我們能真正 使用的有效光強范圍應在其衰減到初始光強的70%以上時,壽命是否可以定義為光效逐漸降低至70%的時間段。目前還沒有明確的國家標準用來衡量。而且 LED的使用壽命與其芯片的質量和封裝技術、工藝直接相關,據某LED封裝廠的試驗數據有些芯片在20mA條件下連續點亮4000小時后其光亮度衰減已達 50%。但是隨著技術、工藝的提高,光衰時間越來越緩慢,即壽命也越長。

二、LED的節能及可靠性

        LED是電流控制元件,通過流過的電流,直接將電能轉變為光能,故也稱光電轉換器。因其不存在摩擦損耗和機械損耗,所以在節能方面比一般的光源的效率高, 但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網電壓,它必須配置一個電壓轉換裝置,提供滿足其額定的電壓、電流,才能正常使用,即LED專用 電源。但是各種不同的LED電源其性能和轉換效率各不相同,所以選擇合適、高效的LED專用電源,才能真正體現LED光源高效特性。因為低效率的LED電 源本身就需要消耗大量電能,在配合LED的使用過程中根本就體現不出LED的高效節能特性。而且LED電源也必須是高可靠性電源,才能使LED光源系統長 壽命。

三、LED的基本特性及使用時的注意事項

1.光電特性:

LED在其電流極限參數范圍內流過LED的電流越大,它的發光亮度越高。即LED的亮度與通過LED的電流成正比。但綠光和藍光及白光在大電流情況下會出現飽和現象,不僅發光效率大幅降低,而且使用壽命也會縮短。

2. 光學特性

LED 按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍、紫、白等多種顏色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等,同種芯片在不同的封裝方式下,它的亮度也不相同。按人的視覺可分為可 見光和不可見光。按發光顏色的多少可分為單色、雙色、七彩等多種類型。色彩的純度不同價格相差很大,現行的純白色LED價格特貴。同時發光視角不同,光效 亦不同,使用時特需注意。

3. 常見的LED電性能參數

(1)LED正向電壓

不同顏色的LED在額定的正向電流條件下,有著各自不同的正向壓降值,紅、黃色:1.8~2.5V之間,綠色和藍色:2.7~4.0V之間。對于同種顏色的LED,其正向壓降和光強也不是完全一致的。如下表:

LED 型號:54HCA

發光顏色 外觀顏色 波長 λD(nm) 正向電壓VF 亮度Iv(mcd)

IF=20mA 

Min. Max. 

紅色 水透明 645~660 1.8 2.5 50~300

黃綠色 水透明 570~575 1.8 2.5 50~300

黃色 水透明 585~590 1.8 2.5 500~5000

藍色 水透明 455~475 2.7 4.0 500~7000

綠色 水透明 515~535 2.7 4.0 2000~10000

藍綠色 水透明 490~515 2.7 4.0 2000~10000

白色 水透明 - 2.7 4.0 3000~15000

在同一電路中應該盡量使用在額定電流條件下正向壓降值相同、光強范圍小的LED。只有這樣才能保證LED的發光效果一致。其具體的電性參數可依各封裝廠每包裝提供的產品分光參數標簽值。(有些公司每批分選都不一致)

(2)LED的額定工作電流

LED的額定電流各不相同,普通的LED電流一般為20mA,大功率的LED電流一般為40 mA 或350 mA不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數值。

一般LED在反向電壓:VR=5V的條件下,反向電流:IR≤10μA。

(3)LED的功率

LED功率的大小也各不相同,有70mW、 100mW、 1W、2W、3W、5W等,

所 以必須根據所選擇的LED,設計合理的使用電路和配置合適的LED數量,使其完全滿足LED電源的額定值,如果設計的電路使每個LED分擔電壓或電流過高 就會嚴重影響LED的使用壽命甚至燒毀LED,如果分擔的電壓或電流過低則激發的LED光強不夠,就不能充分發揮LED應有的效果,達不到我們所期望的目 的。

4. 溫度特性

(1)LED的焊接溫度應在250℃以下,焊接時間控制在3~5S之間。要注意避免LED溫度過高從而使芯片受損。

(2)LED的亮度輸出與溫度成反比,溫度不僅影響LED的亮度,也影響它的壽命。使用中盡量減少電路發熱,并做一定的散熱處理。

5. 防靜電特性

LED裝配過程中必須加強防靜電措施,因為操作過程和人體本身都會產生靜電,對于雙電極的LEDZ易被靜電反向擊穿,從而嚴重影響LED的使用壽命甚至使其完全報廢。

如防靜電環境不是非常完善,可以給LED使用者增加防靜電腕帶,設置良好的防靜電接地系統,離子風機等設備。

四、LED連接電路的常見形式

1.串聯:這種電路需要電源提供較高的電壓。

V總=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4------+VF N

I總=單顆LED的IF值

2. 并聯:這種電路需要電源能提供較高的電流。

V總=單顆LED的VF 值

I總=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4------+IFN

3. 串聯/并聯組合

a、 在實際運用中,負載常采用通過串并聯形成的LED陣列;

b、 將LED連接成串聯/并聯組合的形式,可大幅減低因少數LED的VF不一致造成的影響;

c、 陣列形式或LED個數變化,限流電阻也應相應變化。

d、 串聯/并聯組合的形式會使輸出電流隨輸入電壓和環境溫度等因素而發生的變化更加顯著;

4. 為了能有效控制電路中的電流,須在電路中配置適當的限流電阻。

R=(V輸入電壓-VLED總電壓)/I(流過限流電阻的電流)

限流電阻的作用主要是控制LED的電流,使電壓更平滑,并使各并聯支路的亮度更均勻。限流電阻阻值大效果較好,但是限流電阻的取值也不能太大,否則會增加電能的損耗及元件溫度升高。

五、電源的分類及特性

1、按驅動方式可分為兩大類:

(1)恒流式:

a、 恒流驅動電路輸出的電流是恒定的,而輸出的直流電壓卻隨著負載阻值的大小不同在一定范圍內變化,負載阻值小,輸出電壓就低,負載阻值越大,輸出電壓也就越高;

b、 恒流電路不怕負載短路,但嚴禁負載完全開路。

c、 恒流驅動電路驅動LED是較為理想的,但相對而言價格較高。

d、 應注意所使用Z大承受電流及電壓值,它限制了LED的使用數量;

(2)穩壓式:

a、 當穩壓電路中的各項參數確定以后,輸出的電壓是固定的,而輸出的電流卻隨著負載的增減而變化;

b、 穩壓電路不怕負載開路,但嚴禁負載完全短路。

c、 以穩壓驅動電路驅動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、按電路結構方式分類

(1)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。易受電網電壓波動的影響,電源效率低、可靠性低。(見圖一)

(2)電阻降壓方式:通過電阻降壓,受電網電壓變化的干擾較大,不容易做成穩壓電源,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,而且系統的可靠也較低。(見圖二)

(3)常規變壓器降壓方式: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。

(5)RCC降壓方式開關電源:穩壓范圍比較寬、電源效率比較高,一般可以做到70%~80%,應用也較廣。由于這種控制方式的振蕩頻率是不連續,開關頻率不容易控制,負載電壓波紋系數也比較大,異常負載適應性差。

(6)PWM 控制方式開關電源: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穩壓控制部分、開關能量轉換部分。PWM開關穩壓的基本工作原理就是在 輸入電壓、內部參數及外接負載變化的情況下,控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋,調節主電路開關器件導通的脈沖寬度,使得開關電源的輸 出電壓或電流穩定(即相應穩壓電源或恒流電源)。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的“金興”牌LED開關電源就是PWM控制技術的開關電源,該類LED電源經用戶使用反映效果很好。

六、工程中的簡易計算方法

1. 由已知電源功率計算LED的數量

(即取所得數據的整數) (7-1)

例:額定輸出功率為10W電源,使用額定的正向電流20mA,耗散功率為70mW條件下可配置多少個LED?

依以上公式

(即取所得數據的整數) 

2. 對于恒壓驅動方式:由已知的輸出電源電壓計算每支路串聯LED數量及并聯支路數

(1)計算每條支路的LED個數 公式: (Z大值) 

(2)計算并聯支路數 公式: 

注:VLED值依不同發光顏色各有不同,用穩壓電源驅動LED時,為了控制電流,通常需要串聯電阻器。

例:一個額定輸出電壓為DC 24V,功率為10W電源,使用額定正向電流20mA,耗散功率為70mW額定的正向電壓為1.8V??膳渲枚嗌賯€LED呢?

依以上公式可以得出 (即取所得數據的整數)

即可以帶10組支路,每支路14個LED串聯構成的電路,共140個LED。

3. 對于恒流驅動方式:由已知的電源輸出電流及LED的電流值計算出并聯支路數及每支路數量

(1)計算并聯的支路數公式: (Z小值) 

(2)計算支路串接LED個數: 

注:其中n按(7-1)計算

例:一個額定輸出電流為DC 0.35A,額定功率為10W電源,驅動耗散功率為70mW,正向電流為0.02A的LED,可怎樣配置?

依以上公式可以得出 

并聯支數路:

(即取所得數據的整數)

每支路串接數:個數

即可以帶17組,每組8個LED串接,共136個LED。

4. 線路損耗及線路壓降的計算

P電線=I R V電線=IR

R電線=σ (備注:L為電線長度;S為電線橫截面積;σ為電線電導率)也可以查電工手冊。

例:用長度為10米(正、負極電線各5米),24AWG的銅芯電線,通過電流為2A,其損耗的功率及線路壓降為多少? 

查電工手冊可知:R電線 = 0.737W 

V電線 = 2×0.737 =1.474V

P電線 = 2 ×0.737 = 2.948W

從以上計算可以看出,線路電流較大時,要注意選擇合適的導線截面,否則線路損耗及線路壓降是相當大的。 

我們只有了解LED和LED電源的基本特性,才能正確設計和使用LED光源。

本文網址:http://www.fbmdh.com/news/431.html

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