搞懂这四个关键参数,LED指示灯应用设计其实并不难

winniewei 提交于 周三, 07/11/2018
搞懂这四个关键参数,LED指示灯应用设计其实并不难

作者:Alan Yang

LED技术日益成熟。LED指示灯可以在绝大部分的设备和电路上可以看到。那在实际选择和设计LED时,有哪些需要注意的呢?LED涵盖的内容很多, 本文主要介绍最基础的LED指示灯选择时需要注意的关键参数与设计实例。后续的文章中会介绍特种LED比如说紫外线LED等选型设计的相关内容。

LED指示灯关键参数

Digikey 官网上有多种不同种类的LED, 可以根据不同的参数选择合适的LED。

http://www.digikey.com.cn/search/zh/光电元件/LED-指示-分立/4072

图1,Digikey LED指示灯参数选择界面

图1,Digikey LED指示灯参数选择界面

■参数一:波

峰值波长&主波长。人眼能看到的光和机器能看到的光线不完全一致。所以有两个波长指标来表示:主波长、峰值波长。

  • :光谱发度或射功率最大对应的波
  • 主波:眼睛能看到光源出的主要光的色所对应的波长为主波

一般来说这个两个参数差别不大。选择时主要看应用场合。如果是用在光学仪器上的时候,这个时候仪器需要识别波长,选择时应该以峰值波长为准。如果是用在指示的方面,因为接受者是人,更多的应考虑主波长。

图2,Digikey LED主波长和峰值波长参数选择

图2,Digikey LED主波长和峰值波长参数选择

颜色和波长。颜色和波长是一一对应的。如果选料的时候想找与之前颜色一样的LED替代料。可以直接比较波长这个参数。如果波长一致,颜色也是一致的。下面是常用颜色对应波长范围。

红(Red):R(610nm-640nm)

黄(Yellow):Y(580nm-595nm)

蓝(Blue):B(455nm-490nm)

绿(Green):G(501nm-540nm)

紫(Purple):P(380nm-410nm)

■参数二:发光强度

发光强度(毫烛光candela,单位mcd),是衡量光源发光强弱的量,也就是仪器能接受到的光的亮度。

图3,Digikey LED发光强度参数选择

图3,Digikey LED发光强度参数选择

在实际应用中,人眼对不同波长的光的感知程度是不一样的。同样辐射能量的LED,我们会感觉红光比绿光会亮很多。实际设计时,有时需要同时用到不同颜色LED。为了保证所有LED亮度的一致性,可以考虑适当的选择发光强度大一点绿色LED。

参数三:正向电压Vf & 正向电流If

LED是二极管的一种,一般正向导通的情况下,正向电压Vf可以理解为使LED发光所需要提供的额定电压。正向工作电流If可以理解为使LED发光所需要提供的额定电流。一般来说,正向工作电流越大,LED亮度越大。

图4,Digikey LED正向电压Vf & 正向电流If参数选择

图4,Digikey LED正向电压Vf & 正向电流If参数选择

正向电流If越大,温度越高,寿命会受影响。当环境温度较高的时候,为了更长的LED, 建议减小正向电流。许多原厂都会在数据手册中列出温度与额定正向电流的对应曲线。

图5,温度额定正向电流曲线(QTB  QBLP631-AG)

图5,温度额定正向电流曲线(QTB  QBLP631-AG)

■参数四:LED封装

封装主要分为两种:贴片和直插。

表1,LED封装类型

表1,LED封装类型

一般来说,贴片所占的体积会更小一点。以下是贴片封装的相关参数。

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也可以通过尺寸来选择,下图中的长、宽主要是指的是贴片封装的尺寸。

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LED设计实例

下面是一个最简单的LED指示灯设计实例。我们拿(QTB  QBLP631-AG)举一个例子:LED前向电压Vf 2.0V,LED正向电流20mA。想实现一个亮度可调的LED指示灯。有要一个5V的电压源/电池,要求LED正向电流在10mA到20mA之间变化。

然后串联一个的可调电阻。当电流20mA,此时LED亮度最大,此时电阻=(5V-2V) /20mA=15。当电流10mA时,电阻=(5V-2V) /10mA=300Ω,此时LED亮度减弱到最亮时的一半。下图为电路图。

图6,可调LED设计实例

图6,可调LED设计实例

■LED调光设计

传统的大功率LED照明可能会采用到三端双向可控硅(TRIAC)。TRIAC调光之前多用于白炽灯和卤素灯调光。当传统白炽灯和卤素灯使用LED替换时,TRIAC调光具有一定的兼容性。这种方案经常用在家用照明解决方案之中。

TRIAC可以看成是由两个可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier)反向并联。当没有电流时,可控硅整流器会自动关断。当门极Gate)给一个触发电流,可控硅整流器再次打开。通过电容电阻网络来控制门极的电流便能实现调光。

图7,LED TRIAC调光

图7,LED TRIAC调光

更多关于Triac LED调光设计,可以参考以下文献:

Dimming LEDs with Traditional TRIAC Dimmers

ICs Answer the Challenge of Dimming LED Lamps in TRIAC-Driven Circuits

LED实际应用过程中,对于一些高质量高可靠性的LED应用,很多会采用脉冲宽度调制(PWM)。PWM控制广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

人眼在频率达到100Hz的时候就已经难以察觉明显的明暗变化了。利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。微处理器输出一定频率的方波,通过调整高电平和低电平的占空比,即可实现LED灯亮度控制。PWM控制中,电压一般使用数据手册中标明的正向电压。

下图显示了三种不同的脉冲类型。脉冲持续时间Tp,脉冲周期T,占空比D(D=Tp/T)。调整占空比即可调整LED的亮度。如下图第一个脉冲波形使LED中等亮度发光。中间脉冲波形使LED亮度发光较暗。最下面脉冲波形使LED亮度发光较亮。

图8,LED PWM控制

图8,LED PWM控制

更多关于PWM LED调光设计,可以参考以下文献:

How to Dim an LED Without Compromising Light Quality

经验总结

在做LED指示灯的选型设计时,寿险要正确选择LED指示灯时,需要考虑关键参数有:

  • 波长:波长与颜色对应
  • 发光强度:同样辐射强度的LED,我们会感觉红光比绿光会亮很多。
  • 正向电压,正向电流:与驱动设计相关

在LED指示灯系统设计阶段,主要的设计考量包括:

  • 简单的设计方案,串联一个电阻电源既可以实现发光
  • 对于传统家用照明可以考虑TRIAC调光。
  • 对于一些高质量高可靠性的LED应用,可以采用PWM控制

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