LED发光原理以及恒流源驱动

2023-05-16

以前最常见的灯是白炽灯,距今已经一百多年,现在逐渐退出人类视野,白炽灯的发光原理是灯丝通电后产生的热辐射发出光芒,小时候用手摸白炽灯泡,会很烫很烫,因为它的大部分能量以热量形式散发出去了,只有2%-4%的电能转为光,因此能量转换率极低。

     那LED灯的发光原理是什么呢?
     LED全称为发光二极管(Light -emitted diode),很多户外广告等方面都在使用。

     LED灯是利用半导体元器件直接将电能转为光能,LED灯的半导体芯片由P型半导体和N型半导体构成,P型半导体空穴多,N型半导体自由电子多,两者结合处形成PN结,在交界处会形成一个电场,方向从右往左。当给PN结两端施加一定的正向偏置电时(要大于PN结内电场电压,硅材料为0.7V,锗材料为0.3V),即P型半导体施加正VCC,N型半导体接地,电场力方向从右往左,在电场力作用下,N型半导体中的电子穿过PN结,与P型半导体中的空穴负荷负荷,释放能量,能量以光子的形式散发出来,也就形成了我们看到的LED灯发出的光,根据LED灯半导体材料的不同,LED发出不同颜色的光。



     大家可以看到,里面并没有白色,那么白色光是怎么产生的呢?根据三原色,蓝色和黄色通过一定比例调和会发白光。

      因此目前市面上白色LED灯目前大多是蓝色LED上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉,LED灯发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光,因此根据黄色荧光粉的量,可以调光的色温。

LED恒流源驱动
     我们通常所见的驱动方式基本为恒压源驱动,比如通过Buck、Boost、LDO电路得到稳定的电压(电池、电源适配器)来给后端负载供电,即当后端负载在一定范围内变化时,输出电压保持不变,但是此负载不能无穷小,因为每种类型电路产生的电压输出功率是有一定范围内。

      上图可以看到这是一个24V的开关电源,他的最大输出电压是14.6A ,也就是说他的负载不能小于24/16.4  ≈ 1.5853658536585这个欧姆。
在通常情况下我们给LED两端一个几V的正向电压就能导通(一定串联一个电阻1k如果是3V左右电压,1k就可以,不然会过流烧掉或炸掉,之前第一次点亮LED的时候就炸过,比如下图限流是20mA),一般指示灯就下面这种电路结构。


      但为什么一样要用恒流源呢?用我们这只就不行。
      像我们上面这种,一般作为小功率的指示灯用,像大功率的照明,一般要使用恒流源驱动。恒流源是整个电路中电流是恒定的,电压由电路中的电阻决定。
作为照明的LED灯功率比较大,在通电后会发热比较严重,所以LED温度会上升。下图是LED的伏安特性曲线,绿色为25度,红色为80度。
 、
      可以看出LED等的伏安特性曲线向左偏移了,即在相同的电压下产生了更大的电流。并且增大的电流会导致发热更加严重,发热会导致LED电流在增大,形成了正反馈,使LED灯伏安特性曲线更加向左偏移,非常不稳定,这样就加速了LED的损坏。
下面是常见的恒流源电路原理

      一个LED灯的恒流源电路,他是通过的一个稳压二极管,将基极电压稳定在一个值。假设这个稳压二极管是稳压为3V,电阻阻值为200欧姆,三极管be之间的电压降为0.7V,那么发射极电阻上端电压就是3.0 - 0.7V = 2.3V,流过电阻的电流恒定为2.3/200 = 11.5mA



      电路仿真和我们计算的值近似,但是我们可以串联无限个LED么?
答案是绝对不可能的。LED灯上面有压降,不同颜色的LED灯两端压降不同,像我们选用的这种蓝色的LED灯,在Multisim中,我们可以看到他的压降为3.45V,而要使三极管能够恒定输出一个预定的电流值,那三极管必须工作在放大区,也就是对于NPN三极管Vc>Vb>Ve。
这个条件要满足。

      当我们串联第二个二极管时,我们看三极管集电极电压

      此时集电极电压已经从串联一个LED灯时的8.59V下降到5.19V,电流目前恒定稳定在11.5mA, 那我们在串联一个LED灯。我们可以看到三个LED均没有点亮,且集电极电压已经低于基极电压,此时三极管已经处于饱和区了,电路中电流为2mA左右,而蓝灯的导通电流为5mA,因此LED灯不会点亮。

      因此要多个LED串联并且恒流工作,LED灯的数量要有限制。假设可以串联x个LED灯,每个LED灯压降为3V。供电电源为12V,基极电压为3V,那么12 -3x > 3  也就是x < 3 ,所以串联的LED灯数必须小于三个。对于电阻性负载原理也一样,同样也需要三极管工作在放大区,那么对于电阻性负载,恒流源能保证他的最大值是多呢
     计算方式也是一样

      电流为11.6MA,假设最大电阻为x,那么12V -11.6mA * x > 3V ,则x < 775欧姆,一般恒流源负载常用的是不精密测量PT100的值


      我们设置恒流源为1mA ,可变电阻阻值100欧姆来模拟PT100,可见电阻值在0 -100范围内变化,恒流源输出稳定,因此可以测集电极端电压从而求得PT100电阻,进而获得温度。
      以上就是LED灯以及恒流源驱动方面的探讨,如有错误,请大家指出,谢谢。
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作者:jinglixixi
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