太阳能LED路灯控制系统设计

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(5) 发光体接近点光源

LED 的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源，这样能给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度，荧光灯的尺寸更大，这些照明光源都不能看成点光源，在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有一定的难度。而点光源的光源辐射模型是最简单的，这有利于 LED 灯具的设计。

(6) 可以做成薄型灯具

传统的照明光源向空间的几乎每一个方向发光，在设计照明灯具时，为了提高光线的利用效率，通常用曲面反射器来收集光线，使之向所需要的方向照射。由于反射器距光源有一定的距离，反射器的曲面又有一定的曲率，因此整个灯具就有一定的厚度。LED管芯很小，加之 LED 发光的方向性很强，很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用反射器，这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型灯具。

(7) 亮度调节方便

由于 LED 的工作电流范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此，可以用改变电流的方法来调光。另外，由于 LED 相应时间仅为几十纳秒，还可以采用脉宽调制的方法调光，通过调节占空比和工作频率，能够有效调节 LED 发光强度。相比于传统光源，LED还有色温范围广(3000～10000K)、体积小、无红外线和紫外线辐射、直流驱动和使用安全等优点。

3.2 LED 发光原理及其特性

LED 光源其实是一个 PN 结的二极管。它由管芯即发光半导体材料和导线支架组成，管芯周围由环氧树脂封装，以保护管芯。在热平衡下，半导体 PN 结 N 区的电子扩散到 P 区，P 区的空穴扩散到 N 区，这种互扩散运动的少数载流子聚集在 PN 结的两侧，形成势垒，势垒产生的电场将阻止互扩散运动的继续进行。当 PN 结上施加正向电压时，其势垒降低，注入少数载流子，N 区电子注入 P 区，而 P 区空穴注入 N 区。注入的少数载流子将和该区原有的多数载流子复合发光。复合发光根据能带结构，带间的复合可分为直接跃迁和间接跃迁两种。发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输[15]。

LED 的工作情况与标准的硅二极管相似，在正向电压达到阈值电压以前，正向

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电流很小；随着电压继续上升，电流增长速度很快，大量电子流入 P 结，使管芯半导体晶体发光。

单色 LED 工作原理：LED 内部结构为一个采用砷化镓或磷化镓等材料制成的 PN 结，具有单向导电性。当在 LED 的 PN 结上加正向电压时，PN 结势垒降低，载流子的扩散运动大于漂移运动，致使 P 区的空穴注入到 N 区，N 区的电子注入到 P 区，这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合，复合时产生的能量大部分以光的形式出现，因此而发光。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

白光 LED 工作原理：白光是多种颜色（波长）的光混合而成的。目前实现白光LED的技术主要可分为三种：1、用InGaN蓝色LED激发忆铝石(YAG)荧光粉或其它荧光粉，管芯发出的蓝光激发荧光粉产生黄光，黄光与剩余的蓝光混合成白色光；2、利用三基色原理将红、绿、蓝三种LED发出的光混和成白光；3、利用 300～400nm紫外光LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光。

LED 光源的特性可分为极限参数和一般参数[16]。 （1）极限参数 允许功耗

Pm：允许加于在 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大

值。超过此值，LED可能会发热损坏。

最大正向直流电流管。

最大反向电压损坏。

工作环境温度：发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围会导致 LED 不能正常工作，通常发光二极管发光效率随温度的升高而降低。

（2）一般参数

光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所辐射光并非单一波长，而是有一定波长范围，所发光波长范围中最大光强波长

VRmIFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可能损坏二极

：允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿

?D即为峰值波长。红色发光二极管的波长

一般为 650～700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为 630～650 nm ，橙色发光二极管的波长一般为 610～630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为 585 nm左右，

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绿色发光二极管的波长一般为 555～570 nm。

发光强度：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。

光谱半宽度??：1/2 峰值光强所对应两波长之间隔，表示发光管的光谱纯度。 半值角 θ/2 和视角：θ/2 是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的 2 倍为视角（或称半功率角）。

正向工作电流

IF：它是指发光二极管正常发光时可连续工作的正向电流值。在

IF实际使用中应根据需要选择

正向工作电压

VF在0.6

IFm以下。

：参数表中给出的工作电压是在特定的正向电流下得到的。发

VF光二极管正向工作电压随发光颜色（波长）不同而异，发光波长较长的LED正向

工作电压较低，如红外LED为 0.9V，红色为 1.55V，黄色为 1.7V，绿色为 1.8V，蓝紫光和白光LED更高，可达 3～4V。随着温度升高

VF将会略有下降。值得注意的

是，LED属于电流型器件，实际使用中通常以控制其工作电流为主。

I-V特性：发光二极管的伏安特性（又称V-I特性）与普通二极管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差异。当所施加的正向电压未达到开启电压时，几乎没有电流通过发光二极管，当电压超过开启电压时，电流急剧上升。发光二极管正向开启电压亦称作正向门限电压，它取决于半导体材料的禁带宽度，其取值因使用晶体材料的不同而有所差异。开启状态的LED管压降微小变化会导致较大的电流变化，或者说LED是一种电流型器件，流过LED的电流I与其两端电压V的关系如式3-1。

I?Is(eqvlKT?1) （3-1）

其中：

Is——LED 的反向饱和电流；q——电子电荷；k——波尔兹曼常数。

LED 的发光亮度，基本上正比于其通过的电流强度。一种典型 GaAsP 的 LED 发光特性如图3-1 所示，纵坐标是发光功率 P，横坐标是 LED 通过电流 I。

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P/?W1001010110100I/mA

图3-1 发光亮度与驱动电流关系

LED 亮度正比于电流强度这种特性，对于采用脉冲驱动的方式来说是很有利的，可以在直流脉冲有效值电流值不超出额定直流电流的情况下，使用高于额定电流的直流脉冲驱动而获得更高的脉冲亮度，因为肉眼视觉暂留效应的缘故，可得到更高的主观亮度。

3.3 LED 光源的发展优势及工作受影响因素

3.3.1 LED 光源的发展优势

LED 作为一种新的光源，发展非常的迅速，其应用现在也是越来越广泛。

表3-1 LED 光源与其他光源的对比

灯类型 功率 （W） 白炽灯 卤素灯 低压钠灯 高压钠灯 金卤灯 无极灯 HBLED 车头灯 40 35 35 50 35 35 10 35 光效（lm/W） 10 17 131 125 65 80 65-70 91 光通量（lm） 400 600 4600 3400 2275 2800 450 3200 相关色温（Tc） 2600 4000 2000 2000 4500 4000 4000 50000 显示指数（Ra） 90 90 25 30 78 85 85 90 寿命 （h） 1000 2000 20000 20000 15000 60000 100000 2500 18