在現(xiàn)代照明領(lǐng)域，LED 以其諸多優(yōu)勢逐漸成為主流照明光源。本文將從電子電路、熱分析、光學(xué)等方面，詳細(xì)講解如何運(yùn)用 LED 特性進(jìn)行照明設(shè)計(jì)。

LED 基本原理與應(yīng)用

LED（發(fā)光二極管）是電子二極管的一種，主要構(gòu)造為 PN 結(jié)。當(dāng)向 LED 兩端施加電壓，電子吸收能量并向價電子帶轉(zhuǎn)移，隨后釋放出能量，此能量即為光。放出光的波長和顏色由半導(dǎo)體的電勢差決定。

LED 具有發(fā)光效率高、壽命長、輕便、不含有害物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。其高發(fā)光效率可增加電池使用壽命，適合隨身攜帶的產(chǎn)品。LED 的使用壽命是一般白熾燈的 2 - 3 倍（有些資料顯示達(dá) 40 倍），如交通信號燈就是因壽命長而使用 LED 的典型例子。此外，LED 燈反應(yīng)速度快，適用于汽車剎車燈，且其燈具設(shè)計(jì)自由度高，能調(diào)節(jié)亮度和色度。

LED 電子特性與驅(qū)動電路

LED 具有類似一般硅二極管的特性，在正負(fù)極間施加電壓，當(dāng)外加電壓達(dá)到臨界值，LED 產(chǎn)生電流并開始發(fā)光，電壓超過臨界值時，電流急劇增加。白色 LED 臨界電壓值約 3.5V，紅、綠、藍(lán) LED 臨界電壓值各有不同。

為說明 LED 的電子特性及驅(qū)動電路，采用電路仿真方法。這里使用 Cadence 公司的電路仿真 PSpice A/D，同時選用飛利浦照明公司的 LUXEON 系列 LX3 - PW71。通過圖 2 電路驗(yàn)證 LED 電子特性，進(jìn)行直流解析得到電壓 - 電流特性。驗(yàn)證 LXM3 - PM71 電壓 - 電流特性結(jié)果顯示，在 3.0V 情況下電流約 354mA。

白熾燈采用電壓驅(qū)動型電路設(shè)計(jì)，而 LED 是電流驅(qū)動型電路設(shè)計(jì)，通過控制 LED 中的電流調(diào)節(jié)亮度和色度。因此，白熾燈和熒光燈等照明燈具的電子驅(qū)動不能直接用于 LED 照明燈具。為充分發(fā)揮 LED 特長，需進(jìn)行適合 LED 的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。LED 照明燈具設(shè)計(jì)大致分為光學(xué)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、LED 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)三個階段，下面重點(diǎn)介紹 LED 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。

電阻型驅(qū)動電路

LED 電阻型驅(qū)動設(shè)計(jì)是將 LED、電阻、直流電壓源按圖 4 連接，根據(jù)直流電壓源的電壓值和壓降（正向電壓），計(jì)算 LED 發(fā)光相應(yīng)電流的電阻值，公式為：（直流電壓源 - LED 正向電壓）÷ LED 電流 = 驅(qū)動電阻值。例如，在 5V 電壓源中驅(qū)動 LXM3 - PW71，該 LED 正向電壓為 3.0V，電流為 350mA 時，電阻應(yīng)為 5.71Ω。但此電路未考慮 LED 正向電壓的偏差問題，即使同一型號的 LED，正向電壓也可能有超過 15% 的偏差。大功率照明燈具使用多顆 LED 時，單純串聯(lián)或并聯(lián) LED 會出現(xiàn)電路不通或發(fā)光不均的情況。解決方法是對 LED 進(jìn)行分級，將同一型號的 LED 按正向電壓偏差次序排列，如 LXM3 - PW71 的數(shù)據(jù)庫中有對應(yīng)正向電壓的 Bin 表。

恒流源型驅(qū)動電路

調(diào)節(jié) LED 光度需增減電流，由于人眼對光的感光度是對數(shù)關(guān)系，電阻型驅(qū)動電路不太適合照明燈具。為恒定電流，需使用恒流源型驅(qū)動電路。圖 8 是運(yùn)用半導(dǎo)體和二極管恒定電流電路的例子，通過 2 個二極管（D1、D2）保持半導(dǎo)體基極電位恒定（約 1.2V），LED 電流連接發(fā)射極上的電阻。計(jì)算可知，半導(dǎo)體集電極和發(fā)射極電流基本相同。為使 LED 電流維持在 350mA，需用到 1.48 歐姆的電阻。即使輸入電壓改變，二極管 D1、D2 電壓穩(wěn)定，半導(dǎo)體基極電位穩(wěn)定，保證 LED 電流恒定。通過電路檢驗(yàn)，輸入電壓在 5V - 24V 之間變化時，二極管電壓有微小變化，但 LED 電流基本穩(wěn)定。

PWM 控制技術(shù)

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是調(diào)節(jié)脈沖波占空比的方式，占空比 = On - time（脈沖的 High 時間）÷ 脈沖的一個周期（On - time + Off - time）。在運(yùn)用 PWM 的驅(qū)動電路中，可通過增減占空比控制脈沖一個周期的平均值，從而調(diào)節(jié) LED 電流效率。

以降壓電路為例，在圖 2 的降壓電路中采用 PWM 控制電路，MOSFEL 作為開關(guān)設(shè)計(jì)。當(dāng) PWM 信號轉(zhuǎn)換頻率為 20kHz 時，轉(zhuǎn)換周期為 50μs。PWM 信號為 High 時，開關(guān) On，電流流經(jīng)負(fù)載；PWM 信號為 Low 時，開關(guān) Off，電流斷掉。將 PWM 信號占空比固定在 50% 施加到開關(guān)，開關(guān)開時電流和電壓施加到負(fù)載，關(guān)時負(fù)載供給電壓為零。在負(fù)載前端插入平滑電路，可得到穩(wěn)定的直流電壓供給負(fù)載。若想得到不同輸出電壓，只需改變 PWM 信號的占空比即可。