LED的驅(qū)動電路研究設(shè)計說明

1、 . . . 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目LED的驅(qū)動電路研究設(shè)計院（系） 電子工程與電氣自動化學(xué)院 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué)生 世旺 學(xué) 號 09026013 指導(dǎo)教師 魯業(yè)頻 職稱 教授 論文字?jǐn)?shù)完成日期:2013年 5月 20日學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計)誠信承諾書本人重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計)，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本人簽名：日期：學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計)使用授權(quán)

2、說明本人完全了解學(xué)院有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)論文 (設(shè)計)的規(guī)定，即：本科生在校期間進行畢業(yè)論文(設(shè)計)工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬學(xué)院。學(xué)校根據(jù)需要，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)論文 (設(shè)計)被查閱和借閱；學(xué)?？梢詫厴I(yè)論文(設(shè)計)的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編畢業(yè)，并且本人電子文檔和紙質(zhì)論文的容相一致。的畢業(yè)論文(設(shè)計)在解密后遵守此規(guī)定。本人簽名：日期：導(dǎo)師簽名：日期：1 / 38LED的驅(qū)動電路研究設(shè)計摘要由于LED（發(fā)光二極管）具有體積小、成本低、壽命長等優(yōu)點，所以其逐漸廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域。LED的應(yīng)

3、用離不開它所需要的驅(qū)動控制電路，通過驅(qū)動電路來獲得良好而平穩(wěn)的電流，滿足各種場合的應(yīng)用需求。LED不能像普通白熾燈一樣直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。本文從LED的發(fā)展與其應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，介紹了LED的特點和特性參數(shù)。又對LED的典型驅(qū)動電路、集成驅(qū)動電路進行了研究。從LED的驅(qū)動電路入手，設(shè)計了一款LED循環(huán)燈，并基于芯片LM358設(shè)計了一款聲控旋律燈實用驅(qū)動電路，在理論上和實驗中進行了分析研究，闡述了其原理，從實驗的角度論證了的可行性和必要性。關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；驅(qū)動電路；燈The Study of the LEDS Driver CircuitAbst

4、ractBecause LED has the advantages of small volume, low cost, long service life etc.So it has been widely applied to each field of the society.The application of LED cannot do without the drive control circuit what it needs, through the drive circuit to obtain good and steady current, to meet the ap

5、plication requirements of various occasions.LED does not like ordinary incandescent lamp directly with voltage source, otherwise the voltage fluctuation increases slightly, the electric current will increase to the intensity of burning LED.In this paper, from the development of LED and its applicati

6、on in the field of view, characteristics and parameters of LED are introduced.The LED typical drive circuit, integrated drive circuit were studied. Starting from the LED driving circuit, design a LED lamp, and based on the chip LM358 designed a voice melody lamp drive circuit, are analyzed and studi

7、ed in theory and experiment, elaborated its principle, feasibility and necessity from the experimental point of view.Keywords：light emitting diodes, drive circuit, lamp目錄摘要IAbstract11 引言111研究的意義與主要研究容11.2 LED的發(fā)展現(xiàn)狀2121 LED的發(fā)展2122 LED的應(yīng)用領(lǐng)域32 LED原理521 LED發(fā)光原理與結(jié)構(gòu)522 LED的主要參數(shù)與特性7221 單向?qū)щ娦?222 V-I特性8223 P

8、N結(jié)的反向擊穿8224 極間電容923 LED的優(yōu)缺點10231 LED的優(yōu)點10232 LED存在的問題113 LED驅(qū)動電路的研究1231 LED驅(qū)動技術(shù)12311電路組成12312電路性能分析12313 驅(qū)動器的選擇1332典型LED驅(qū)動電路的研究14321電容降壓電路14322 PWM驅(qū)動白光LED1533 LED集成驅(qū)動電路的研究15331 LM3404驅(qū)動電路15332 CAT4016驅(qū)動白光LED電路17333 MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路174 LED驅(qū)動電路的設(shè)計1841 LED 循環(huán)燈18411 循環(huán)燈電路的設(shè)計18412循環(huán)燈的制作與測試194

9、2 聲控旋律燈的設(shè)計20421 LED旋律燈簡介20422基于LM358的聲控旋律燈的設(shè)計20423驅(qū)動電路的測試215 結(jié)論22參考文獻1致11 引言LED(發(fā)光二極管)，它是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的特殊半導(dǎo)體器件。LED具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，耗電少，壽命長，造價低，電流相對恒定等優(yōu)點，是一種應(yīng)用廣泛的重要光源。隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展，它的應(yīng)用隨需求而變得不斷增大，它已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電信、交通、金融、郵政、廣告等各個行業(yè)。LED是半導(dǎo)體二極管的一種，而二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加

10、正向電壓時，電阻值很小，PN結(jié)導(dǎo)通；加反向電壓時，電阻值很大，PN結(jié)截止。所以LED不能像普通白熾燈一樣直接用電壓源直接用電壓源供電，否則電壓波動稍增，電流就會增大到將LED燒毀的程度。LED的應(yīng)用離不開它所需要的驅(qū)動控制電路，通過驅(qū)動電路來獲得良好而平穩(wěn)的電流，使LED顯示更加均勻、漂亮，滿足各種場合的應(yīng)用要求。11研究的意義與主要研究容目前來看，LED畢竟是一種新的材料和技術(shù)，掌握核心發(fā)光芯片制造技術(shù)的只有美要國和日本少數(shù)幾個國家，高昂的價格讓LEO燈進入家庭照明還需一定時日，但這不能否定LED極其廣闊的發(fā)展前景。不僅如此，由于其本身具有的優(yōu)良特性，LED光源在很多領(lǐng)域具有著其他光源無法替

11、代的優(yōu)勢。LED燈就可以說是無處不在的。但是和世界LED燈產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)相比，我們在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)能和技術(shù)上都還處于一個比較下游的階段，例如中國大陸現(xiàn)在每年的產(chǎn)值約15億美元，不到(2004年30億美元)的一半，比不上日本日亞化工一個企業(yè)(2004年20億美金)。黃振春說： “即使這樣，我們的市場空間還是很大的。LED燈照明產(chǎn)品的應(yīng)用可以說是五花八門，只要有光的地方都可以用LED。最大的市場就是照明燈，如果把上千億的照明燈都用LED燈代替的話，這個市場的空間是不可估量的竹13。研制一種新型LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈光源具有很大的實際意義。 本課題的主要研究容包括：無論那種電源，都不可能直接給L

12、ED供電，所以，要應(yīng)用LED做照明光源，就要解決電源變換的問題。因此本論文首先介紹了LED照明的特點和LED光學(xué)特性參數(shù)。其次從LED的驅(qū)動電路入手。詳細的對現(xiàn)有的照明驅(qū)動電路進行了分析，實際設(shè)計了一款展臺用珠寶照明燈的實用驅(qū)動電路和汽車照明光源，在理論上和實驗中對LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源進行了分析。選用合適的LED燈透鏡，整燈裝配，并同實際測量結(jié)果進行了對比，使最終的結(jié)果具有實用性。最后，完成了芯片的測試工作。理論分析和芯片測試數(shù)據(jù)。1.2 LED的發(fā)展現(xiàn)狀121 LED的發(fā)展隨著社會的不斷發(fā)展，對能源的需求越來越大，能源危機加重。節(jié)能已經(jīng)成為衡量各項技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，尋找節(jié)能的方式勢在必行。照明是

13、人類消耗能源的重要方面，某媒體報道數(shù)據(jù)顯示，使用固體光源LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈照明，將節(jié)約全球照明能耗的50%以上。1962年，GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室開發(fā)出了發(fā)紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導(dǎo)體化合物，從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進程。隨后經(jīng)世界各國的努力研究，便成產(chǎn)出商用化紅色LEDGaP綠色芯片、LEDAlGaAsLED、GaN基片上研制出的第一只藍色發(fā)光二極管等等。LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。近幾年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取

14、得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。白光LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，其發(fā)光效率可超過150lm/W（2010年）。將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈與T5三基色熒光燈進行對比，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/W，壽命小于2000小時，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/W，壽命小于8000小時，T5熒光燈則為96lm/W，壽命大約為10000小時，而直徑為5毫米的白光LED光效理論上可以超過150lm/W，壽命可達到100000小時。有人還預(yù)測，未來的

15、LED壽命上限將無窮大。隨著LED散熱技術(shù)的改進，室外照明LED燈、投光燈等大功率LED照明燈具已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并開始被大量應(yīng)用。對色溫和顯色性要求很高的室照明的舞臺燈、影棚燈等也已實現(xiàn)量產(chǎn)并投入應(yīng)用。適用圍最大、用量也最大的通用照明的T8、T5、T4燈管和代替白熾燈和節(jié)能燈的螺口球泡燈已形成系列化，使用壽命已高達5萬小時。LED的應(yīng)用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以與最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大

16、的發(fā)明之一。目前LED在國發(fā)展迅速，但企業(yè)規(guī)模偏小，產(chǎn)業(yè)鏈不完整。我國的LED產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過40余年的發(fā)展，現(xiàn)已形成、和7個國家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于景觀照明和普通照明領(lǐng)域，我國已成為世界第一大照明電器生產(chǎn)國和第二大照明電器出口國。據(jù)2013-2017年中國LED照明產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告分析認(rèn)為，LED照明市場一直被認(rèn)為是LED最重要、最具發(fā)展前景的應(yīng)用?？傮w來看，宏觀環(huán)境對于LED照明應(yīng)用的發(fā)展非常有利，主要表現(xiàn)為：1)節(jié)能減排成為全球關(guān)注的議題并得到積極推進;2)傳統(tǒng)光源技術(shù)成長緩慢，面臨發(fā)展瓶頸;3)LED照明技術(shù)進步與成本不斷降低，長期

17、市場障礙已不大。122 LED的應(yīng)用領(lǐng)域LED光源與傳統(tǒng)光源相比較，具有如下的優(yōu)點：超長壽命，可達幾萬小時，傳統(tǒng)光源一般為幾千小時；結(jié)構(gòu)堅固，沒有鎢絲、玻殼等容易損壞的部件，具有極高的抗震性能；響應(yīng)速度快，光通上升時間短；對點燈線路要求低，易實現(xiàn)調(diào)光和智能控制；耐開關(guān)沖擊，適用于頻繁開關(guān)場合；高效節(jié)能，現(xiàn)有光效已經(jīng)超過白熾燈，理論光效可達2001mW；不含汞、鉛等有害物質(zhì)，沒有污染，綠色環(huán)保。作為光電產(chǎn)業(yè)近年來最熱門的領(lǐng)域，2012年，我國LED應(yīng)用領(lǐng)域規(guī)模達2340億，總體比前年增長了34%。預(yù)計2013年可達3000億以上，每年至至少以30%的速度增長其中，商業(yè)、家居、道路等功能照明占比1

18、5%，市場規(guī)模達450億；顯示屏占比10%，規(guī)模達300億；景觀照明占20%，規(guī)模600億。LED照明發(fā)展迅猛，盡管經(jīng)歷種種困擾，但隨著技術(shù)不斷革新，市場應(yīng)用愈加拓寬。數(shù)據(jù)顯示，2012年，LED的應(yīng)用領(lǐng)域包括:(1) 建筑物外觀照明對建筑物某個區(qū)域進行投射，無非是使用控制光束角的圓頭和方頭形狀的投光燈具，這與傳統(tǒng)的投光燈具概念完全一致。但是，由于光源小而薄，線性投射燈具的研發(fā)無疑成為投射燈具的一大亮點，因為許多建筑物根本沒有出挑的地方放置傳統(tǒng)的投光燈。它的安裝便捷，可以水準(zhǔn)也可以垂直方向安裝，與建筑物表面更好地結(jié)合，為照明設(shè)計師帶來了新的照明語匯，拓展了創(chuàng)作空間。并將對現(xiàn)代建筑和歷史建筑的照

19、明手法產(chǎn)生了影響。(2) 景觀照明由于不像傳統(tǒng)燈具光源多是玻璃泡殼，它可以與城市街道家具很好的有機結(jié)合?？梢栽诔鞘械男蓍e空間如路徑、樓梯、甲板、濱水地帶、園藝進行照明。對于花卉或低矮的灌木，可以使用作為光源進行照明。隱藏式的投光燈具會特別受到青睞。固定端可以設(shè)計為插拔式，依據(jù)植物生長的高度，方便進行調(diào)節(jié)。(3) 標(biāo)識與指示性照明需要進行空間限定和引導(dǎo)的場所，如道路路面的分隔顯示、樓梯踏步的局部照明、緊急出口的指示照明，可以使用表面亮度適當(dāng)?shù)淖园l(fā)光埋地?zé)艋蚯对诖怪眽γ娴臒艟?，如影劇院觀眾廳的地面引導(dǎo)燈或座椅側(cè)面的指示燈，以與購物中心樓層的引導(dǎo)燈等。另外，與霓虹燈相比，由于是低壓，沒有易碎的玻璃，

20、不會因為制作中彎曲而增加費用，值得在標(biāo)識設(shè)計中推廣使用。(4) 室空間展示照明就照明品質(zhì)來說，由于光源沒有熱量、紫外與紅外輻射，對展品或商品不會產(chǎn)生損害，與傳統(tǒng)光源比較，燈具不需要附加濾光裝置，照明系統(tǒng)簡單，費用低廉，易于安裝。其精確的布光，可作為博物館光纖照明的替代品。商業(yè)照明大都會使用彩色的，室裝飾性的白光結(jié)合室裝修為室提供輔助性照明，暗藏光帶可以使用，對于低矮的空間特別有利。(5) 娛樂場所與舞臺照明由于的動態(tài)、數(shù)字化控制色彩、亮度和調(diào)光，活潑的飽和色可以創(chuàng)造靜態(tài)和動態(tài)的照明效果。從白光到全光譜中的任意顏色，的使用在這類空間的照明中開啟了新的思路。長壽命、高流明的維持值（10，000小時

21、后仍然維持90的光通），與燈和金鹵燈的50250 小時的壽命相比，降低了維護費用和更換光源的頻率。另外，克服了金鹵燈使用一段時間后顏色偏移的現(xiàn)象。與燈相比，沒有熱輻射，可以使空間變得更加舒適。目前彩色裝飾墻面在餐飲建筑中的應(yīng)用已蔚然成風(fēng)。(6) 視頻屏幕全彩色顯示屏是當(dāng)今世界上最為引人注目的戶外大型顯示裝置，采用先進的數(shù)字化視頻處理技術(shù)，有無可比擬的超大面積與超高亮度。根據(jù)不同的戶外環(huán)境，采用各種規(guī)格的發(fā)光像素，實現(xiàn)不同的亮度、色彩、分辨率，以滿足各種用途。它可以動態(tài)顯示圖文動畫信息，利用多媒體技術(shù)，可播放各類多媒體文件。世 界上目前最有影響的顯示屏，當(dāng)屬美國曼哈頓時代廣場紐約證券交易所，總計

22、使用了18,677,760只，面積為10,736平方英尺。屏幕可以劃分成多個畫面，而同時顯示，將華爾街股市的行情一目了然呈現(xiàn)在公眾面前。另外崛起在浦東陸家嘴金融中心的震旦國際總部，整個朝向浦西的建筑立面鑲上了長100的超大型屏，總計面積達到3600平方米?？胺Q世界第一。(7) 車輛指示燈照明汽車用白熾燈不耐震動撞擊，易損壞，壽命短，要經(jīng)常更換。LED作為汽車燈主要因為其壽命長、低功耗、響應(yīng)速度快等特點。1987年我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，在發(fā)達國家，使用LED制造的中央后置高位剎車燈已經(jīng)成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)件。LED 已經(jīng)滲透到汽車電子領(lǐng)域，憑借著汽車的巨大市場，LED車燈市場有巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

23、2 LED原理21 LED發(fā)光原理與結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管通常用元素周期表中III、V族元素的化合物，如鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的，是一種半導(dǎo)體器件。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。LED的結(jié)構(gòu)如圖（1）、（2）所示。圖1 LED的結(jié)構(gòu)圖2 LED的結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的晶片，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能

24、。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。發(fā)光二極管就是通過這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路與儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時釋

25、放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。光譜圍是比較窄的，其波長由所使用的基本材料而定。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。用GaN形成的藍光LED1993年，當(dāng)時在日本日亞化工工作的中村修二發(fā)明了基于寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）的具有商業(yè)應(yīng)用價值的藍光LED，這類LED在1990 年代后期得到廣泛應(yīng)用。理論上藍光LED結(jié)合原有的紅光LED和綠光LED可產(chǎn)生白光，但白光LED卻很少是這樣造出來的。現(xiàn)時生產(chǎn)的白光LED大部分是通過在藍光LED(near-UV,波長450nm至470nm)

26、上覆蓋一層淡黃色熒光粉涂層制成的，發(fā)光二極管的兩根引線中較長的一根為正極，應(yīng)接電源正極。有的發(fā)光二極管的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。 發(fā)光二極管與小白熾燈泡和氖燈相比，發(fā)光二極管的特點是：工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；工作電流很?。ㄓ械膬H零點幾毫安即可發(fā)光）；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。22 LED的主要參數(shù)與特性221 單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)外加電壓V的電場方向（由P指向N）與PN結(jié)電場方向相反，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴和N區(qū)的多數(shù)載流子電子都要向PN結(jié)移動，使空間電荷區(qū)電荷量減少，

27、PN結(jié)變窄，這時耗盡區(qū)厚度變薄，耗盡區(qū)中載流子增加，電阻阻值變小，PN結(jié)電場強度減小，有利于P區(qū)和N區(qū)中多數(shù)載流子的擴散運動，形成擴散電流。這時擴散運動超過漂移運動，在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流I，PN結(jié)導(dǎo)通，這時PN結(jié)處于正向偏置。PN結(jié)兩端加反向電壓V時，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都將進一步離開PN結(jié)，這時PN結(jié)處于反向偏置，使耗盡區(qū)厚度加寬，PN結(jié)電場強度增大，阻礙了多數(shù)載流子的擴散運動，擴散電流趨近于零，但是結(jié)電場的增加，使少數(shù)載流子更易產(chǎn)生漂移運動，漂移電流方向與擴散電流方向相反，表現(xiàn)在外電路有一個流入N區(qū)的反向電流I，由于少數(shù)載流子濃度很小，所以I是很微弱的。少數(shù)載流子由本征激發(fā)產(chǎn)

28、生，其數(shù)值取決于溫度，與外界電壓V無關(guān)，在一定溫度下，電流的值趨于恒定，可認(rèn)為它基本上是不導(dǎo)電的，PN結(jié)截止。由此看來，PN結(jié)加正向電壓時，電阻值很小，PN結(jié)導(dǎo)通；加反向電壓時，電阻值很大，PN結(jié)截止，這就是其單向?qū)щ娦浴?22 V-I特性以硅結(jié)型二極管為例，在二極管PN結(jié)的兩端，施加正、反向電壓時，通過管子的電流如圖（3）所示。圖3 硅二極管PN結(jié)的V-I特性根據(jù)理論分析，PN結(jié)的V-I特性可表達為i=I(e-1) (1)式中i為通過PN結(jié)的電流；v為PN結(jié)兩端的外加電壓；n為發(fā)射系數(shù)，它與PN結(jié)的尺寸、材料與通過的電流有關(guān)，其值在12之間；V為溫度的電壓當(dāng)量，V=kT/q。其中k為玻耳茲曼

29、常數(shù)（1.38×10J/K），T為熱力學(xué)溫度，即絕對溫度（單位為K，0 K=-273），q為電子電荷（1.6×10C），常溫（300K）下，V=0.026V;e為自然對數(shù)的底；I為反向飽和電流。對于分立器件，其典型值約為10A10A的圍。集成電路中的二極管PN結(jié)，其I值則更小。關(guān)于式（1），可解釋如下： 當(dāng)二極管的PN結(jié)兩端加正向電壓時，電壓v為正值，當(dāng)v比V大幾倍時，式（1）中的e遠大于1，括號中的1可以忽略。這樣，二極管的電流i與電壓v成指數(shù)關(guān)系，如圖3中的正向電壓部分所示。 當(dāng)二極管的PN結(jié)兩端加反向電壓時，v為負(fù)值，若v比nV大幾倍時，指數(shù)項趨近于零，因此i=-I，

30、如圖（3）中的反向電壓部分所示?？梢姕囟纫欢〞r反向飽和電流是個常數(shù)I，不隨外加電壓的大小而變化。223 PN結(jié)的反向擊穿如果加到PN結(jié)兩端的反向電壓增大到一定數(shù)值時，反向電流突然增加，如圖4所示。這個現(xiàn)象就稱為PN結(jié)的反向擊穿（電擊穿）。發(fā)生擊穿所需的反向電壓V稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)電擊穿后電流很大，容易使PN結(jié)發(fā)熱。這時PN結(jié)的電流和溫度進一步升高，從而很容易燒毀PN結(jié)。反向擊穿電壓的大小與PN結(jié)制造參數(shù)有關(guān)。電擊穿的一個原因是碰撞電離產(chǎn)生的倍增效應(yīng)使PN結(jié)雪崩擊穿，另一個原因是齊納擊穿。這兩種電擊穿過程是可逆的，當(dāng)反向電壓降低后，就可恢復(fù)原來狀態(tài)。但它有一個前提條件，就是反向電流和反向電

31、壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率，超過了就會因為熱量散不出去而使PN結(jié)溫度上升，直到過熱而燒毀，這種現(xiàn)象就是熱擊穿。圖4 PN結(jié)的反向擊穿224 極間電容極間電容C=C + C，C為擴散電容，C為勢壘電容。(1) 擴散電容C若外加正向電壓有一增量V，則相應(yīng)的空穴（電子）擴散運動在結(jié)的附近產(chǎn)生一電荷增量Q，二者之比Q/V為擴散電容C。如果取微增量，則有C= F（法） （2）式中為載流子的渡越時間或壽命，用以度量超量的少子的復(fù)合時間。為溫度電壓當(dāng)量。(2) 勢壘電容C對于非線性的勢壘電容，可用微增量電容的概念來定義，即C= （3）式中為勢壘區(qū)沒側(cè)儲存電荷的微增量，為作用于結(jié)型二極管上的電壓微增量

32、。PN結(jié)的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。PN結(jié)處于正向偏置時，結(jié)電容較大（主要取決于擴散電容C）；當(dāng)PN結(jié)處于反向偏置時，結(jié)電容較?。ㄖ饕Q于勢壘電容C）。23 LED的優(yōu)缺點231 LED的優(yōu)點(1) 體積小LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。(2) 耗電量低LED耗電相當(dāng)?shù)?，直流?qū)動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近30%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A；這就是說，它消耗的電能不超過0.1W，一樣照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能近80%。(3) 使用壽命長有人稱LED光源為長壽燈。

33、它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積等缺點，在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢褂脡勖蛇_6萬到10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。(4) 高亮度、低熱量LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多。(5) 環(huán)保LED是由無毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源(6) 堅固耐用LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體也沒有松動的部分，使得LED不易損壞。(7) 多變幻LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術(shù)控制下使三

34、種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256=16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果與各種圖像。(8) 技術(shù)先進與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品。它成功融合了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品，是半導(dǎo)體光電器件“高新尖”技術(shù)，具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。232 LED存在的問題由美國加州大學(xué)艾爾文分校進行的一項調(diào)查卻顯示，使用LED的環(huán)保功效很可能會被其包含的有毒物質(zhì)所抵消。在該校社會生態(tài)學(xué)系和公共健康項目共同進行的這項研究中，他們分

35、析了市場上常見的圣誕樹彩燈組中的紅色、黃色、綠色和藍色的LED燈，其中既包括高亮度LED，也包括低亮度產(chǎn)品。結(jié)果顯示，這些LED燈中包含有銻、砷、鉻、鉛以與其他多種金屬元素。其中，部分LED燈的有毒元素含量已經(jīng)超過了監(jiān)管部門制定的標(biāo)準(zhǔn)。比如在低亮度紅色LED燈中，研究人員發(fā)現(xiàn)其鉛含量超標(biāo)達到8倍，鎳含量也超標(biāo)2.5倍。實際上在美國加州法律中，絕大多數(shù)LED燈都已經(jīng)被明確定義為有毒垃圾，如果使用普通填埋的辦法處理將會污染土壤和地下水。而如果LED燈破碎，還可能會對直接接觸的人體健康造成損害。但至今，無論各國政府還是民眾都對LED燈的環(huán)境和健康危險知之甚少。該報告表示，LED中的砷、鉛、鎳和銅元素

36、對人體和環(huán)境的影響最為嚴(yán)重，未來應(yīng)當(dāng)進行更為細致深入的調(diào)查，以促進政府對LED產(chǎn)品的安全使用和回收處理制定規(guī)。簡單的說，大家應(yīng)該清楚，雖然LED的能效非常高，但它絕非完全環(huán)保的選擇，只是蘊含的潛在危險和其他照明技術(shù)不同罷了。第二點LED需要由于單個發(fā)光面比較窄，通常大規(guī)模集成在線路板上，形成一個比較大的發(fā)光源，由此會造成大量熱量積累，有時會擊穿電路板。所以LED燈的散熱一定要好。第三點人眼最不能接受的是藍光和UV光(即紫外線光)，藍光殺傷人眼活性細胞的能力是綠光的10倍，而UV光殺傷人眼活性細胞的能力又是藍光的10倍，長期接觸大量低波長的藍光能大量殺傷人眼活性細胞，最終癌化形成斑塊。而LED白

37、光形成主要是靠450-455NM波長藍光激發(fā)熒光粉，其中波長越低擊發(fā)能力越強，通常LED的波長出廠控制在500NM之，即450-455NM，或455-460NM，屬于傷害最強的區(qū)段，如果波長變大，那么激發(fā)熒光粉的能力就下降，效率降低。人們?yōu)榱俗非罅炼?，通常更會加強LED的藍光強度，點燈時間越久，熒光粉衰減越快，進而導(dǎo)致人眼接觸的藍光波段的光照越強烈，從而對人眼造成傷害。所以LED燈具在道路交通的LED導(dǎo)航指示、LED路燈、LED臺燈的使用上具有一定的不利因素，容易讓人在使用過程中產(chǎn)生頭暈眼花、不舒服的感覺，甚至長期使用會變成眼晴傷害，使得患眼病的機率會有所提高。3 LED驅(qū)動電路的研究31 L

38、ED驅(qū)動技術(shù)311 電路性能分析在需要使用比較多的LED產(chǎn)品時，如果將所有的LED串聯(lián)，將需要LED驅(qū)動器輸出較高的電壓；如果將所有的LED并聯(lián)，則需要LED驅(qū)動器輸出較大的電流。將所有的LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED的嚴(yán)使用量，而且并聯(lián)LED負(fù)載電流較大，驅(qū)動器的成本也會增加，解決辦法是采用混聯(lián)方式。串、并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，這樣，分配在一個LED串聯(lián)支路上的電壓一樣，同一個串聯(lián)支路中每個LED上的電流也基本一樣，亮度一致，同時通過每個串聯(lián)支路的電流也相近。當(dāng)某一串聯(lián)支路上有一只LED品質(zhì)不良而短路時，不管采用穩(wěn)壓式驅(qū)動方式還是恒流式驅(qū)動方式，通過該串聯(lián)電路的電流將增大，很容易損壞該

39、串聯(lián)支路中的LED。大電流通過損壞的這串LED后，由于通過的電流較大，多表現(xiàn)為斷路。斷開一個LED串聯(lián)支路后，如果采用穩(wěn)壓式驅(qū)動方式，驅(qū)動器的輸出電流將減小，而不影響余下的所有LED正常工作。如果采用恒流式LED驅(qū)動方式，由于驅(qū)動器的輸出電流保持不變，分配在余下的LED中的電流將增大，容易損壞所有的LED。解決辦法是盡量多并聯(lián)LED，這樣當(dāng)斷開某一只LED時，分配在余下的LED中的電流不大，不至于影響余下的LED正常工作。這種先串聯(lián)后并聯(lián)的線路的優(yōu)點是線路簡單、亮度穩(wěn)定、可靠性高，并且對器件的一致性要求較低，不需要特別挑選器件，即使個別LED單管失效，對整個發(fā)光組件的影響也較小。在工作環(huán)境因素

40、變化較大的情況下，使用這種連接形式的發(fā)光組件效果較為理想?；炻?lián)方式還有另外一種接法，即是將LED平均分配后分組并聯(lián)，再將每組串聯(lián)在一起。當(dāng)有一只LED品質(zhì)不良而短路時，不管是采用穩(wěn)壓式驅(qū)動方式還是恒流式驅(qū)動方式，并聯(lián)在這一支路中的LED將全部不亮。如果采用恒流式LED驅(qū)動方式，由于驅(qū)動器的輸出電流保持不變，除了并聯(lián)在短路LED上的這一并聯(lián)支路外，其余的LED均正常工作。假設(shè)并聯(lián)的LED數(shù)量較多，驅(qū)動器的驅(qū)動電流較大，通過這只短路的LED的電流將增大。大電流通過這只短路的LED后，很容易就變成斷路。由于并聯(lián)的LED較多，斷開一只LED后，平均分配電流變化不大，其余的LED依然可以正常工作，那么在

41、整個LED燈中僅有一只LED不亮。先并后串混合連接構(gòu)成的發(fā)光組件的問題主要是在單組并聯(lián)LED中，由于器件和使用條件的差別，單組中個別LED芯片可能喪失PN結(jié)特性，出現(xiàn)短路。個別器件短路會使未失效的LED失去工作電流IF導(dǎo)致整組LED熄滅，總電流全部從短路器件過，而較長時間的短路電流又會使器件部的鍵合金屬絲或其他部分燒毀，出現(xiàn)開路。這時，未失效的LED重新獲得電流，恢復(fù)正常發(fā)光，只是工作電流IF較原來大一點。這就是這種連接形式的發(fā)光組件出現(xiàn)先是一組中幾只LED一起熄滅，一段時間后除其中一只LED不亮外，其他LED又恢復(fù)正常的原因。312 驅(qū)動器的選擇通過以上分析可知，驅(qū)動器與負(fù)載LED串/并聯(lián)方

42、式的搭配選擇是非常重要的，以恒流方式驅(qū)動功率型LED時，不適合采用并聯(lián)負(fù)載，輸出的電流是恒定的，而輸出的直流電壓卻隨著負(fù)載阻值的大小不同在一定圍變化，負(fù)載阻值小，輸出電壓就低，負(fù)載阻值越大，輸出電壓也就越高；恒流電路不怕負(fù)載短路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全開路；恒流驅(qū)動電路驅(qū)動LED是較為理想的，但相對而言價格較高；應(yīng)注意所使用最大承受電流與電壓值，它限制了LED的使用數(shù)量。同樣，穩(wěn)壓式LED驅(qū)動器不適合選用串聯(lián)負(fù)載，當(dāng)穩(wěn)壓電路中的各項參數(shù)確定以后，輸出的電壓是固定的，而輸出的電流卻隨著負(fù)載的增減而變化；穩(wěn)壓電路不怕負(fù)載開路，但嚴(yán)禁負(fù)載完全短路；以穩(wěn)壓驅(qū)動電路驅(qū)動LED，每串需要加上合適的電阻方可使每串L

43、ED顯示亮度平均；亮度會受整流而來的電壓變化影響。32典型LED驅(qū)動電路的研究321電容降壓電路 電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。如果在一個1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如，我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。采用電容降壓時應(yīng)注意以下幾點：根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率

44、選取適當(dāng)?shù)碾娙荩幌蘖麟娙荼仨毑捎脽o極性電容，絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上；電容降壓不能用于大功率條件；電容降壓不適合動態(tài)負(fù)載條件；電容降壓不適合容性和感性負(fù)載；當(dāng)需要直流工作時，盡量采用半波整流。 電容降壓電路屬于一種常見的小電流電源電路，由于其具有體積小、成本低、電流相對恒定等優(yōu)點，常應(yīng)用于LED的驅(qū)動電路中。圖5 最簡單LED的電容降壓電路如圖5所示，電路中利用兩只反向并聯(lián)的LED對降壓后的交流電進行整流。該電路廣泛應(yīng)用在夜光燈、按鈕指示燈與一些要求不高的位置指示燈等場合。322PWM驅(qū)動白光LEDPWM調(diào)光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時亮?xí)r暗，如

45、果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實現(xiàn)調(diào)光，但調(diào)光的圍取決于器件部電路軟啟動或恢復(fù)正常工作的速度，因而圍不是很寬。PWM原理是以一固定直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合的開關(guān)K，從而控制改變LED上的電壓。設(shè)當(dāng)LED接通時的最大電流為Imax。開關(guān)開閉周期為T，每次閉合時間為t，則當(dāng)占空比為D=tT時，LED的平均電流為：I=ID （4）由式(1)可見，當(dāng)T不變(即開關(guān)的開關(guān)頻率同定)時，只要改變導(dǎo)通時間t，就可以改變LED兩端的平均

46、電流，從而改變LED的亮度。33 LED集成驅(qū)動電路的研究331 LM3404驅(qū)動電路LM3404是單片降壓型高亮度LED恒流驅(qū)動集成電路，它適應(yīng)6-A2V的輸入電壓圍，比較適用于汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)與一般照明系統(tǒng)置的新一代大功率高亮度LED組件。LM3404部集成了功率MOSFET、Buck開關(guān)電路，以連續(xù)導(dǎo)通模式工作，其工作頻率在理論上只受限于部開關(guān)電路的開啟與關(guān)閉時間。 LM3404可以輸出高達l.2A的驅(qū)動電流，能夠為3-5W的LED組件提供700mA-lA的驅(qū)動電流，效率高達95%，通過DIM端子利用PWM信號調(diào)節(jié)LED的亮度，LED損壞、斷路時能夠?qū)﹄娐愤M行可靠保護。LM3404

47、具備逐周期限流保護能力，電流檢測所需要的反饋電壓只需要0.2V左右，從而能夠降低芯片的功耗，而自舉電路可以提高系統(tǒng)在輕載狀態(tài)下的效率。 LM3404采用8引腳的小型SO-8和PSOP-8封裝，其典型應(yīng)用電路如圖（6）所示，主要技術(shù)參數(shù)如圖（7）所示。圖6 LM3404典型應(yīng)用電路圖7 LM3404主要技術(shù)參數(shù)332 CAT4016驅(qū)動白光LED電路諸如廣告牌標(biāo)志、滾動橫幅、智能車輛標(biāo)志和體育計分板等LED應(yīng)用需要采用多顆LED，通常包含多串LED，要求LED驅(qū)動方案提供恒定的光輸出，不同通道間的電流匹配精度要高，要提供易用的接口來控制不同LED通道，并且要具備可靠的保護功能。安森美半導(dǎo)體針對這

48、類應(yīng)用的方案包括CAT4008和CAT4106等恒流LED汲入型驅(qū)動器，其中前者支持8通道，后者支持16通道，LED電流圍均為2至100 mA，此電流由外部電阻設(shè)定。CAT4016典型應(yīng)用電路如圖（8）所示。圖8 CAT4016典型應(yīng)用電路333 MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路早期的電荷泵只是簡單地將輸入電壓倍壓，而新開發(fā)的電荷泵的性能將進一步完善，并具有更高的效率。專為驅(qū)動LED設(shè)計的電荷泵可以把輸入電壓提升到剛好使LED工作的電平。連接到SET引腳的電阻器網(wǎng)絡(luò)保證在所有LED中有一樣的電流。部電路使SET端的電壓保持在200mV，流經(jīng)任何LED的電流為I=200/

49、10=20（mA）。MAX1912的輸出電流可達60mA，可以同時并聯(lián)驅(qū)動3只以上的LED。采用MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路如圖（9）所示。圖9 MAX1910/MAX1912電荷泵驅(qū)動白光LED的電路圖MAX1910/MAX1912部包括電荷泵和電流控制電路，電荷泵為白色LED提供足夠的驅(qū)動電壓，而電流控制電路通過給每只LED加載同樣的電流來確保LED發(fā)出均勻的白光。4 LED驅(qū)動電路的設(shè)計41 LED 循環(huán)燈411 循環(huán)燈電路的設(shè)計此循環(huán)燈電路原理圖如圖（10）所示。電路圖由3V電源、3只三極管、12只LED、三個12K的電阻、三個470的電阻和三個100F的電

50、阻組成的。當(dāng)電源一接通，3只三極管就要爭先導(dǎo)通，但由于元器件有差異，只有某一只管子最先導(dǎo)通。假如Q1最先導(dǎo)通，那么Q1集電極電壓下降，使電容C1的左端接近零電壓，由于電容器兩端的電壓不能突變，所以Q2基極也被拉到近似零電壓，使Q2截止。Q2集電極為高電壓，那么在它上面的LED5-8就亮了。此刻Q2集電極上的高電壓通過電容器C2使Q3基極電壓升高，三極管Q3也將迅速導(dǎo)通。因此在這一段時間，Q1與Q3的集電極均為低電壓，只有接在Q2集電極上的LED亮，而其他的不亮。隨著電源通過電阻R3對C1的充電，使三極管Q2基極電壓逐漸升高，當(dāng)超過0.7伏時，Q2由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，集電極電壓下降，LED5

51、-8熄滅。與此同時三極管Q2集電極電壓的下降通過電容器C2的作用使三極管Q3的基極電壓也下降，Q3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。接在Q3集電極上的LED就亮了。如此循環(huán)，電路中3只三極管便輪流導(dǎo)通和截止，3組12只LED便會被輪流點亮，這些LED被均勻的排列呈一個圓形，不斷的循環(huán)發(fā)光，達到流動的效果。圖10 循環(huán)燈電路原理圖412循環(huán)燈的制作與測試按照圖（10）的電路圖設(shè)計制作PCB版，接通焊完的電路版如圖（11）所示。圖11 循環(huán)燈效果圖流動的彩燈讓人賞心悅目，可以模擬流動彩燈，閃爍起來更具動感。改變電容C1、C2、C3的容量可以改變循環(huán)速度，容量越小，循環(huán)速度越快。電壓越高，亮度越大。42 聲控旋律燈的設(shè)計421 LED旋律燈簡介駐極體話筒采集聲音變成微弱