LED照明灯研究与设计

孙彦

（黑龙江农垦职业学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

1 LED的结构及发光原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

2 白光LED照明新光源的应用前景

随着社会的进步，能源紧张成为一个不争的事实，人们在节约和开发新能源上大做文章。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电），寿命短，维护工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长，几乎无需维护。目前，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明；我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

3 LED照明系统的电路设计

LED是电流控制元件，通过流过的电流，直接将电能转变为光能，故也称光电转换器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以在节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样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常使用，即LED专用电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同，所以选择合适、高效的LED专用电源，再加上合理的电路设计才能真正体现LED光源高效特性。

3.1 LED灯的连接方式

LED负载的连接形式直接关系到可靠性和使用寿命。一般有以下几种连接方式：

3.1.1 串联方式：LED采用全部串联的方式，即将多个LED的正极对负极连接成串。将多个LED串在一起，需要电源提供很高的电压。当一只LED的品质不良短路时，分配在剩余的LED两端的电压将升高，驱动器的输出电流会增加，容易损坏余下所有的LED。如果是采用恒流源方式供电，不产生影响。但当一只LED品质不良断开后，串联在一起的LE D将全部不亮。

3.1.2 并联方式：在并联设计中，需要电源提供较高的电流。该电路具有低电磁干扰、高效率的特点。不会因一个LED断路而引起整个照明系统失效。当某一只LED因为品质不良而断开，如果采用恒流源方式供电，会加大余下的LED的电流。如果采用恒压源的方式，则不影响。说明恒流源方式驱动LED不适合采用并联负载。

3.1.3 混联方式：在需要使用比较多的LED时，如果所有的LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压；如果将所有的LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有的LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会增加。解决的办法是混联方式，所以我们采用的是混联方式。

3.2 LED驱动电路性能分析

驱动电路主要有以下几大部分组成，一、整流滤波电流(供电电源是AC源)；二、主干能量变换电路；三、开关器件的驱动和智能控制电路;四、反馈网络和助电路。整个驱动电路的性能是由这几部分的综合效果，其中开关器件及其控制电路是决定功能性能的关键。下面简单的介绍一下开关电路及其控制电路。

RCD箝位电路的设计如图3-1所示。

图3-1 RCD箝位电路

恒流反馈电路的原理与设计。恒流反馈电路是通过采样电阻，把驱动LED的电流信号转化为电压信号，在对采样电压信号进行放大处理后送到控制芯片的反馈端口。

LM358芯片包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。所以我们选用放大器LM358实现恒流反馈。如图3-2所示。

图3-2利用LM358实现恒流

电容C1和电阻R4提供环路补偿。采样电阻Rsense一般取0.1Ω，使用运算放大器的限流方式使电流采样电压最小化，从而降低了损耗，使效率提高。R1为TL431阴极提供回路。稳压管D2可以在空载时，实现恒压输出，避免空载时损坏电路。同时在电路板做完后空载上电可以检测电路是否正常。

4 实验结果及展望

LED灯控制电路具有恒流控制、电流控制精度、过压保护、欠压保护、过流保护等功能。就通用室内照明应用，从成本考虑，大多设计功率在20W以内的LED灯管，从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求。随着大功率LED普遍在灯光装饰和照明中的普遍使用，功率型LED驱动显得越来越重要。用市电驱动大功率LED需要解决降压和恒流问题，还要有比较高的转换效率，有较小的体积，长时间工作，较低的成本，电磁干扰和功率因素等问题。如果能用交流(AC)直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。用ACLED发光省去了成本不菲的AC/DC转换器和恒流源，将展开全新的LED驱动概念。

[1]杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选[M].北京:中国电力出版社2008.1.

[2]叶良修.半导体物理[M]科学出版社1983.6.

[3]何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M]科学出版社.2008.8.

[4]崔元日、潘苏予.第四代照明光源-白光LED，灯与照明，Vol.28，No.2，p31-p34(2004).

[5]Abrahaml，Pressman.开关电源设计(Switching Power supply Design)[M].第二版.北京：电子工业出版社.2005.