淺析超高亮LED的驅(qū)動功能與應(yīng)用
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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,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.
1、超高亮LED的特點
與傳統(tǒng)的照明燈相比,超高亮LED具有如下優(yōu)點:
1)壽命長,可靠耐用,維護費用極為低廉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)可以達到201m/w．預(yù)計到2005年將達到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.
盡管超高亮LED具有許多優(yōu)點,但目前仍存在下述缺點:
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)價格高除了功率低,價格是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,但其高昂的價格難以被消費者接受.
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,超高亮LED通常采用恒流源驅(qū)動.
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℃時的光通量是25℃時的一半,而一40℃時光輸出是25℃時的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,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,實際上負載可以是多個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,通過分流調(diào)節(jié)器的電流將
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