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如何选择高亮度LED并使其正常运作

如何选择高亮度LED并使其正常运作

  • 分类:技术文章
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2012-10-10 12:30
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【概要描述】

如何选择高亮度LED并使其正常运作

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  • 分类:技术文章
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       现在的LED市场可说是非常火热。随着能源成本增加,以及对于气候变迁的关注,各国政府和工业界开始推动高效率的照明解决方案。由于LED具有高效率及使用寿命长等特性,因此是极佳的解决方案。同时,LED技术正在经历一段快速变化和创新的过程,将持续推出更明亮且更有效率的产品,但这将使得大多数的工程师难以跟上最新产品的步伐。幸好,协助选择LED组件以及产品规划设计的工具程序已经非常完善,这将使得工程师们在选择适当的LED及LED驱动器更为容易。即使拥有了功能强大的设计工具,但是工程师们仍然需要了解会影响LED选择的参数有哪些,才能真正发挥工具的最大效能。
 
  如何选择LED

        第一个步骤是选择LED的颜色。各种不同颜色的LED主要是因为不同的主波长以及紫外线到红外线区间内可提供的波长。白光LED是针对其色温与暖白光LED所设定,通常色温为 2800K 到 3500K 范围内,适合用于室内照明。与白光LED相比较,传统的普通钨丝灯泡色温范围约为 3000K。冷白光LED的色温范围则介于 6300K 到 7500K 的区域,而白光LED则是属于从 3600K 到 6200K 的中间范围。
 
  LED亮度应为多亮?

        光通量(以流明为单位)一般用于量测LED的亮度。这是在人类双眼所能识别之光谱内所发出的光量总数。表1显示一些典型光源的光通量值。

        个别高亮度LED光通量值通常小于100 流明(虽然这个值正迅速攀升)。因此在大多数的应用中都会将LED组合成数组的形式,以达到更高的亮度。对于多个白光LED照明大多采用并联串数组组合,并利用单一电流控制驱动器来驱动。但并联的方式可能会因为LED的顺向电压和流经每个灯串内的电流不同,导致灯串产生不同的亮度。因此,最好使用串联的LED,使亮度和色彩能够保持一致。然而,串联电压会随着使用较多的LED而提高,如此将影响到可使用的驱动器拓朴、降压与升压。
 
        由于LED发光具有方向性的特质,因此在不同的角度观看时会呈现不同的亮度,在某个视角的条件下,我们所观察到的亮度可能会降低至50%。在定向应用中,实际感受到的亮度会高于采用球形发光方式的点光源。换句话说,如果某些应用需要采用球形发光方式,则必须针对应用来设计相对应的数组,可以使用光学来扩散或聚焦光线。
 
        照明组件的效率测量基准为发光效率,其单位为流明∕瓦。由于LED研发及设计的数量激增,使得具有 75 流明∕瓦发光效率值的组件快速增加,而市场上最近也开始出现具有 115 流明∕瓦的LED。用相同的标准来比较不同的光源的发光效率,钨丝灯泡大约 17 流明∕瓦、省电灯泡大约为 60 流明∕瓦,以及低压钠路灯的 100 到 200 流明∕瓦。

  电压和电流

        LED的顺向电压是LED制程的一个特点,一般而言,黄光∕橙光∕红光 LED的顺向电压值范围在 2-3V,而蓝光∕绿光∕白光LED的顺向电压值范围在 3-4V。流过LED的电流控制了LED亮度,同时也会影响呈现的色彩,因此LED会在稳定电流模式下运作。高亮度LED通常会采用0.35A、0.7A、1.0A、1.4A 以上的电流。另外还需要考虑的是LED的尺寸和高度。所提供的产品必须具备散热功能,这个功能将成为高电流应用的关键。当然,成本是另一个关键性的参数需要一并纳入考虑。
 
  选择LED更容易

        许多LED供货商相继推出线上选择工具,使得LED的选择变得更为容易。这些工具能够逐一比对多种解决方案并提供图形分析,这可以让LED的设计工程师快速地取得最佳的解决方案。
  LED的温度控制

        如果LED这么有效率,为什么我们还需要对LED进行温度控制和监控?LED运作时的温度没有低于白炽灯的光源吗?事实证明,LED虽然比钨丝灯泡具备更好的效率,但是仍然产生了大量的热能。白炽灯泡产生的热能主要可以透过红外线辐射方式进行散热,但是,LED在半导体二极管的结构中除了产生热能外,也会产生光子。这种热能不属于辐射光谱,必须透过传导和对流的方式才能排除。
 
        如果LED在比较热的条件下运作,会出现一些问题。LED的亮度会随着温度的上升而明显变暗。另外,LED的颜色也会随着温度的变化而改变,如此可能会在需要保持颜色一致的应用上产生问题,例如由RGB产生的白光。在设计驱动器电路时,应该要考虑到LED顺向电压会因为温度改变而产生变化这类型的电子特性,如果LED以并联配置共享电流,则LED顺向电压的变化可能也是一个问题。长期暴露在高接面温度的环境下,将加速LED的老化现象,并降低其使用寿命和可靠性。因此,在设计系统时,必须使其在LED的温度规格范围之内运作。这通常可使用散热器来达到目的,例如在印刷电路板上采用较大的铜质区域、附加散热器,或使用加强耐热型/金属印刷电路板(PCB)来装载LED;此外,也可以使用强制气流。
 
        不过,对于不正常的气候变化所产生的高热或是散热装置失效等意外状况,可以实行一套故障安全机制应对。大部分的降压拓朴LED驱动器都具有热关闭功能,因此若驱动器超出指定的温度(通常是125到150℃),则会关闭驱动器与LED。升压拓朴驱动器将会保护其本身,而不会在关闭时加载,因此需要针对LED使用撬杆电路或其他保护装置。在任一种情况下,LED的温度可能会高于驱动器的温度,因此LED本身需要自己的温度传感器和监控电路的故障安全保护装置。这种温度传感器可以减少或关闭LED的电流、开启冷却风扇,并且可以对使用者或维修人员提供告警机制。
 
  LED的温度传感器类型

        一般来说,温度传感器的准确性必须提供足够的弹性,以便能够侦测到温度过热的问题,同时又不会在正常操作温度下触发故障警示。举例而言,如果系统的一般操作温度为80℃,而其需要侦测不超过100℃的故障条件,则若使用 +/- 2℃ 准确度的温度传感器系统时,可将其允许值设定为98℃即可,但若使用 +/-10℃ 准确度的温度传感器系统,则将其允许值设定为90℃已是最低值。
 

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