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第二章 LED灯的特点与驱动方式
2.1 LED与传统光源的差别
（1）LED灯的发光效率极高，所以其功耗也是极小的。普通的白炽灯和钨灯的效率也就约为12-25lm/w，荧光灯好一点也就是50-130lm/w[4]。这两类10%的灯发射的能量的转换率是人难以接受的，这样低的转换率就造成了记起的浪费。然而300lm/w的光效是其他照明系统无法替代和胜出的，就是说LED灯的光效是前两种的10到15倍。LED
[5]灯无论是从灯光的颜色还是和光谱看，它都远远胜于其他光源，这也是LED的突出优势。
（2）LED灯的寿命也是很长的。一般的LED灯都会超过十万个连续点亮小时。相对于使用钨丝发热从而发出光源的白炽灯而言好很多了。在机械结构中LED灯的也有突出的优势，非玻璃结构远远安全过玻璃结构。由此可见LED灯的工作使用寿命不是白炽灯和日光灯的工作使用寿命长可相比的。
（3）LED安全环保性能突出。其不含汞元素，驱动方式是直流电，没有频闪问题，用在照明场合更有利于保护人的视力。而且其电路故障也很低，很适合用于现代的电子产品中。再液晶屏幕中这个优秀的性能就更加突出了。
（4）LED的体积小也是其一大优点。LED灯已经颠覆了普通传统照明的系统的样子，其体积可以其节能的特性，使得它基本成为电子产品照明发光的首选[4]。给我们的生活带了无限的精彩和快乐。小到人的肉眼都无法发现为止。在移动设备引领，LED解决了其他照明体积庞大的短板。
2.2 LED的发光原理
LED的来源于英文Light Emitting Diode的缩写。在中文中称之为发光二极管。在结构材料中看它是一种半导体结构器件，由此其基本特性与普通二极管的特性差不多[5]。在PN的结构中，当PN结两端处在正向压降时，它会强制的把N区内的电子就会推向了P区，被强制推过去的电子会与P区内的多数载流子复合，在复合时就会产生多余的能量，而这些产生多余的能量不能被消耗就只能以光能的形式释放出来外界，实现把电能转化为光能，LED也就是一个PN节。从二极管的原理之中可以知道，如果PN节两端的电压是反向电压，这个反向电压就会把电荷区家得很宽阻止电子的转移，PN节不导通，灯不发光。经过无数人的研究发现发光的波长与材料有关，材料的能隙Eg(单位为电子伏（eV）)[6]。
Eg?hv/q?hc/(?q).......................................（..2?1）
??hc/(qEg)?1240/Eg(mm)...........................................（2?2）
式中v是电子速度；h为普朗克常数；q为载流子所带电荷；c为光速；?为波长。如果
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想要产生波长为380~780mm的可见光，在半导体的Eg应该再1.63到3.26eV之中。如下图2-1和图2-2。
图2-1 照明LED灯 图2-2 指示LED灯
2.3 LED的特性
LED作为照明电源的材料，其主要的光学特性、电学特性和热学特性就成为我们研究和关注的内容。LED的主要光学特性参数为：光通量、发光效率、发光强度、光强分布和波长。光通量就是波长为360nm到380nm之间的光源所辐射的总能量[7]。光通量的单位是流明（lm）。光通量和耗电功率的比值决定了发光效率的强弱，发光效率的单位是流明/瓦（lm/W）。发光强度是指从一个特定方向上的发光强弱的大小，因为指定不同的角度，就会有不同的空间角度，LED灯光强差别就会很大。须研究LED灯不同角度的发光强弱的分布特性。知道LED灯的发光强弱分布特性之后我们就能依据这个特性，设计计算出LED灯的最大照射角度了。
2.4 伏安特性
不同LED灯芯PN结性能就存在不同的伏安特性，伏安特性就直接衡量了PN结的性。非线性和单向导通性是PN结最主要的性能。只有PN节外加的电压是正向电压时LED灯才表现为低电阻态，反之为高电阻。伏安特性有一大不确定性，就是同批次的灯，展现出来的特性也是不完全相同的。在恒定的电压驱动的前提条件下，相同批次不同的LED的正向电流不同大小值不一样。在LED导通后，只要外加电压稍微的变动一下，都将引起LED电流的突变化。在正向工作区，工作电流If与外加电压呈指数关系[5]：
qvf?1)...........................................（2?3） IF?Is(? kt式中的Is表示反向饱和电流，IF是正常时的导通电流值。
2.5 LED的允许功耗P
假设If为流过LED的电流值，Vf为LED的导通压降，LED的总功耗为P?If?Vf。当LED工作时PN节内一部分的的载流子会和电子复合发出光子，当然没有转化为光子的载流子就会复合变成热量，这些热量会让LED的结温度升高[8]。热量总是从高温往低温传
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递，当外部的温度和LED的节温存在温差时，灯上面的热量就会通过特殊的散热结构基座往外环境传递热量，以此来降低灯内部的温度。在设计大功率的照明灯是都必须设计好散热器，用来加快向外面释放热量，降低LED的温度保护LED灯，使他的寿命更加长。
2.6 LED的时间响应特性
响应时间是衡量LED的反应速度，反应时间越短就说明灯的反应时间越短，灯的质量就越好。研究LED的响应特性很重要，我们知道他可以用在设计驱动器时去避免一些频闪问题。特别是在对频闪要求严格控制ＬＣＤ显示应用场合。如图下图所以是LED的响应特性图。
灯的点亮响应时间又自己的特殊定义，LED的亮度从正常亮度的10%到90%的这段时间就为做LED的点亮响应时间。同样的灯的熄灭响应时间也有自己定义，当LED从正常亮度减弱到10%的这段时间长度称之为LED的熄灭响应时间[8]。LED的响应时间包括LED的点亮时间和熄灭时间。在现在智能化的系统光源中，响应时间就成评定一套光源系统性能优良的重要数据之一了，不同的LED的制作工艺和不同的材料特性都会得到不用的响应时间如图2-3。
图2-3 LED灯响应特性图
2.7 LED灯的光源问题
由于受到散热的问题影响，单颗ＬＥＤ的功率都做不大。一般场合的照明功率要求远比单颗灯的额定功率大得多。在一些特殊的照明场合可以使用单颗LED灯来照明。但在一些要求大功率的照明场合单颗就不能满足了，所以就必须把多颗LED同时使用才能达到照明的要求。所以市场上更多卖的是多颗LED灯块，厂家把很多个小功率的LED灯封装在特殊的封装中，以此来达到照明功率要求。
人眼特别容易捕获颜色。光谱的偏移越厉害就意味着光源的质量越低下。人民对LED灯颜色质量和稳定性要求越来越高，所以提高灯的质量就成了LED灯光源的大趋势。但是以目前的技术而然还有很大的差距。不断的改进LED的封装工艺和制作工艺，我们的
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LED新光源会得到很大的改善[9]。
2.8 串联连接方式
我们在设计照明系统时，都必须先确定是用什么样的驱动方式。这就要求我们必须先确定LED的链接方式。
LED灯的串联链接方式如下图。这类链接方式的最大特点就是要求电源的输出电压比较高，串的灯数越多，要求的输出电压就越高。串联过灯的电流大小一样时各个LED灯的亮度都一样。但是这种链接方式也是存在一些缺点的，如果使用稳压驱动方式时，当出现一个LED灯因某种原因出现短路时，而驱动器两端输出的电压恒定不变，剩余的LED就得平均分摊这个电压，会造成每颗灯两端的电压升高，驱动电流会增大。后果就是容易损坏余下的所有LED；如果是采用恒流驱动方式，由于驱动电源的输出电流不变，当出现以上情况时，不会造成流过ＬＥＤ灯的电流增大，LED能正常工作[11]。串联连接图如图2-4。
如图2-4 LED灯的串联链接方式
2.9 并联的连接方式
LED灯的并联链接方式，驱动时要求的电压低电流大纹波低。因为并联所以分配在所有的LED灯两端电压相同。这种链接方法当是使用稳压源驱动，由于每颗LED都存在一定的差异，其等效阻抗不相同这会使得流过每颗LED灯的电流不一致，会造成LED的亮度产生明显差异。同时由于LED灯是负温度特性，所以会造成亮的会越亮，暗的也会越暗。当出现一颗烧坏短路时，稳压源就会出现短路现象。如果使用恒流源驱动，每颗LED灯的阻抗都不一样电流分配不均匀，也会出现亮的会越来越亮，暗的越来越暗的情况。恒流输出，一些电流小了，意味其他的电流就大，ＬＥＤ灯如果出现过流现象就很容易烧坏。会造成循环性的烧毁。并联连接如图2-5。
图2-5 LED并联连接方式示意图
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