0 引言

    發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,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(Energy Gat,)位階改變,以發(fā)光顯示其所釋放出的能量。LED具有體積小、壽命長、驅(qū)動電壓低、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,使得它越來越多地用在彩燈裝飾、甚至照明領(lǐng)域。

    l 超高亮LED的特點(diǎn)

    與傳統(tǒng)的照明燈相比,超高亮LED具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    1)壽命長,可靠耐用,維護(hù)費(fèi)用極為低廉LED可連續(xù)使用105h,比普通白熾燈泡長100倍;

    2)高效率現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到201m／w．預(yù)計(jì)到2005年將達(dá)到501m／W[1],LED)的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發(fā)光效率可達(dá)80％～90％,LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1／4;

    3)色彩鮮艷,光色單純 以12英寸的紅色交通信號燈為例,它采用低光效的140W白熾燈作為光源,所產(chǎn)生的2000lm的白光經(jīng)紅色濾光片后,光損失90％,只剩下2001m的紅光,而在Lumileds Lighting公司采用18個紅色LED光源設(shè)計(jì)的燈中,包括電路損失在內(nèi),僅耗電14W,即可產(chǎn)生同樣的光效;

    4)點(diǎn)亮速度快 汽車信號燈是LED光源應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域,由于LED響應(yīng)速度快(ns級),在汽車上安裝高位LED剎車燈,可以減少汽車追尾事故的發(fā)生。

    近年來高亮LED已經(jīng)在汽車的近光燈中得到了應(yīng)用,例如德國奧迪公司的奧迪A86.O,意大利Fioravanti公司在2003年日內(nèi)瓦車展上推出的概念車Yak,美國福特公司不久前在底特律車展上推出的Model U都開始將高亮LED用于前照燈的設(shè)計(jì)中。

    盡管超高亮LED具有許多優(yōu)點(diǎn),但目前仍存在下述缺點(diǎn)：

    1)功率低市面上的單體LED功率一般在5W以下,還沒有出現(xiàn)更大功率的LED,這是目前LED難以成為照明首選的最大瓶頸;

    2)需要嚴(yán)格控制溫度 LED是一種半導(dǎo)體材料,與普通二極管一樣具有PN結(jié),由于高亮二極管的功率相對比較大,所以與功率半導(dǎo)體器件相同,需要考慮散熱問題,結(jié)溫過高會直接影響LED的壽命,并且會增大LED的光衰,情況嚴(yán)重的會將LED燒壞;

    3)價(jià)格高除了功率低,價(jià)格是LED難以成為照明的主要因素,雖然LED目前已被大多數(shù)人認(rèn)識,也被多數(shù)人看好,但其高昂的價(jià)格難以被消費(fèi)者接受,目前單體黃色LED大約O．6元／個,綠色與藍(lán)色單體LED在1．8元／個左右,白色LED的價(jià)格達(dá)到了2.2～5.5元／個左右;如果將幾十個單體LED組合,其成本將大大增加,如把一個LED安裝在草坪燈里,其單價(jià)就相當(dāng)于一般草坪燈的幾倍,LED要成為未來照明的主流光源,就一定要朝著大流明方向發(fā)展,成本才有可能降低,市場才有可能突破。

    2 超高亮LED的特性

    HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一種超高亮LED,本文以它為例分析超高亮LED的特性。圖1為正向壓降(VF)和正向電流的(IF)關(guān)系曲線,由曲線可知,當(dāng)正向電壓超過某個閾值(約2V),即通常所說的導(dǎo)通電壓之后,可近似認(rèn)為,IF與VF成正比。表1是當(dāng)前主要超高亮LED的電氣特性。由表1可知,當(dāng)前超高亮LED的最高IF可達(dá)1A,而VF通常為3～4V。

    由于LED的光特性通常都描述為電流的函數(shù),而不是電壓的函數(shù),光通量(φV)與IF的關(guān)系曲線如圖2所示,因此,采用恒流源驅(qū)動可以更好地控制亮度。此外,由表1可知LED的正向壓降變化范圍比較大(最大可達(dá)1V以上),而由圖1中的VF-IF曲線可知,VF的微小變化會引起較大的,IF變化,從而引起亮度的較大變化。所以,采用恒壓源驅(qū)動不能保證LED亮度的一致性,并且影響LED的可靠性、壽命和光衰。因此,

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    圖3是HPWA-xH00 LED的溫度與光通量(φV)關(guān)系曲線,由圖3可知光通量與溫度成反比,85℃時(shí)的光通量是25℃時(shí)的一半,而一40℃時(shí)光輸出是25℃時(shí)的1．8倍。溫度的變化對LFD的波長也有一定的影響,因此,良好的散熱是LED保持恒定亮度的保證。

    3 超高亮LED的驅(qū)動電路

    由于受到LED功率水平的限制,通常需同時(shí)驅(qū)動多個LED以滿足亮度需求,因此,需要專門的驅(qū)動電路來點(diǎn)亮LED。下面簡要介紹LED驅(qū)動的主要電路。

    3．1 阻限流電路

    如圖4所示,電阻限流驅(qū)動電路是最簡單的驅(qū)動電路,限流電阻按式(1)計(jì)算。

式中：Vin為電路的輸入電壓：

      VF為IED的正向電流;

      VF為LED在正向電流為,IF時(shí)的壓降;

      VD為防反二極管的壓降(可選);

      y為每串LED的數(shù)目;

      x為并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)。

    由圖1可得LED的線性化數(shù)學(xué)模型為

   
    式中：Vo為單個LED的開通壓降;

      Rs為單個LED的線性化等效串聯(lián)電阻。

    則式(1)限流電阻的計(jì)算可寫為

   
    當(dāng)電阻選定后,電阻限流電路的IF與VF的關(guān)系為

   
    由式(4)可知電阻限流電路簡單,但是,在輸入電壓波動時(shí),通過LED的電流也會跟隨變化,因此調(diào)節(jié)性能差。另外,由于電阻R的接人損失的功率為xRIF,因此效率低。

    3．2線性調(diào)節(jié)器

    線性調(diào)節(jié)器的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三極管或MOSFFET作為一動態(tài)可調(diào)電阻來控制負(fù)載。線性調(diào)節(jié)器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。

    圖5(a)所示為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器又稱為分流調(diào)節(jié)器(圖中僅畫出了一個LED,實(shí)際上負(fù)載可以是多個LED串聯(lián),下同),它與LED并聯(lián),當(dāng)輸入電壓增大或者LED)減少時(shí),通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會增大,這將會增大限流電阻上的壓降,以使通過LED的電流保持恒定。

    由于分流調(diào)節(jié)器需要串聯(lián)一個電阻,所以效率不高,并且在輸入電壓變化范圍比較寬的情況下很難做到恒定的調(diào)節(jié)。

    圖5(b)所示為串聯(lián)型調(diào)節(jié)器,當(dāng)輸入電壓增大時(shí),調(diào)節(jié)動態(tài)電阻增大,以保持LED上的電壓(電流)恒定。

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    由于功率三極管或MOSFET管都有一個飽和導(dǎo)通電壓,因此,輸入的最小電壓必須大于該飽和電壓與負(fù)載電壓之和,電路才能正確地工作。

    3．3開關(guān)調(diào)節(jié)器

    上述驅(qū)動技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制,而且效率低。在用于低功率的普通LED驅(qū)動時(shí),由于電流只有幾個mA,因此損耗不明顯,當(dāng)用作電流有幾百mA甚至更高的高亮LED的驅(qū)動時(shí),功率電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問題。開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的,可以達(dá)到90％以上。Buek、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動,只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動,采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進(jìn)行反饋控制。

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