课程小论文发光二极管LED的驱动电路与应用

摘要：发光二极管在生活中运用相当广泛，常作为指示灯、手电筒、显示板等。随着白光LED的出现，也开始被用于照明。它不但节约电，用电效率高，而且制造原料丰富，它被誉为21世纪的新型光源。但是要全面普及LED，就必须攻克LED驱动这个难题。本文主要是对LED的驱动进行简单的总结，让大家对LED有一个初步的了解。本文也涉及一些发光二级管的应用，包括它的前景和可能的发展方向，用以更加全面的展现出LED的应用情况。

关键词：发光二级管 ；原理及结构 ；驱动电路；分类与应用

1引言

由于LED具有高亮度、高效率、高可靠性、长寿命以及多色等特点，使其应用范围不断扩展，电子告示牌、交通信号灯、室内照明、建筑照明和汽车尾灯等领域。为了使LED 应用于各种电路中，设计有高集成度、最简外围电路、高效率、大功率以及可调光功能等优点的LED驱动电路设计成为了热点。

本文的目的是简单介绍一下LED的构成，它的驱动电路以及一些应用。我们把这些知识点总结在了下文中。

2 LED的相关知识

2.1 LED简介

LED （Light Emitting Diode）即发光二级管。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显

示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

图1 常见的LED发光二级管

2.2 LED发光原理

当PN 节外加正向电压时（P 型半导体接电源正极，N 型半导体接电源负极），外电场与内电场作用，总的效果是削弱内电场，从而空穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时高能态的电子与空穴复合时就把多余的能量以光

的形式释放出来，从而把电能直接转化成光能。当然在发光二极管的PN 节上加反向电压（P 型半导体接电源负极，N 型半导体接电源正极），由于内电被加强，所以进一步阻止了多数载流子的扩散运动，电路不能导通就不能发光。

图2 LED发光原理图

2.3 LED的结构

LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，较短的一端是阴极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就

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形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。

图3 LED的结构图

2.4 无机半导体物料和发光颜色

以下是传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色： 铝砷化镓(AlGaAs)-红色及红外线 铝磷化镓(AlGaP)-绿色

磷化铝铟镓(AlGaInP)-高亮度的橘红色，橙色，黄色，绿色 磷砷化镓(GaAsP)-红色，橘红色，黄色 磷化镓(GaP)-红色，黄色，绿色 氮化镓(GaN)-绿色，翠绿色，蓝色

铟氮化镓(InGaN)-近紫外线，蓝绿色，蓝色 碳化硅(SiC)(用作衬底)-蓝色 硅(Si)(用作衬底)-蓝色(开发中) 蓝宝石(Al2O3)(用作衬底)-蓝色

钻石(C)-紫外线 氮化铝(AlN)-波长为远至近的紫外线

3 LED的驱动

3.1 产生驱动原因

由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。

图4 LED的驱动实物图

3.2 驱动的简单介绍

(1)按供电电压高低分类

1、从供电电压的高低可以将驱动器分成三类：由电池供电,电压一般低于5V。主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率白色LED。

2、大于5V供电，如6V、9V、12V、24V(或更高)，由稳压电源或电瓶供电，主要用降压式或升降式DC／DC转换器，主要驱动LED灯。 3、直接由市电供电(110VAC或220VAC)或相应的高压直流电，如40“-‘400V，主要用于驱动大功率白色LED灯，采用降压式DC／DC转换器驱动电路。 (2)按负载连接方式分类

串联方式、并联方式、混连方式。 (3)按驱动方式的分类

若按LED驱动方式来分类有两种：恒压驱动和恒流驱动。

3.3 LED驱动的特点

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(1)高可靠性，特别像LED路的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

(2)高效率 LED是节能产品，驱动电源的效率要高。

（3）高功率因素 功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。

（4)驱动方式 现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。 （5）浪涌保护 LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

（6）保护功能 电源除了常规的保护功能外，最好在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

（7）防护方面 灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。 （8）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

3.4 一些常见的驱动电路 （1）单节电池LED驱动电路

图5 单节电池LED驱动电路

（2）LED显示屏驱动电源电路图

图6 LED显示屏驱动电源电路图

(3)LED节能灯驱动电源电路图

图7 LED节能灯驱动电源电路图

(4) LED手电筒驱动电路原理图

图8 LED手电筒驱动电路原理图

（5）led日光灯驱动电路图

图9 LED日光灯驱动电路图

（6）常见双管节能灯电路原理图

图10 常见双管节能灯电路原理图

4 LED的分类与应用

4.1 LED的优势

电压低:LED使用低压电源，比使用高压电源更安全，特别适用于公共场所。 效能高: 在相同的照明度下，LED消耗的电能只有白炽灯的10%，在能源紧缺的今天具有大的经济效益。

适用性强:LED密封性好、体积小、没有易碎的玻璃、抗震性好等特点,使用时安全可靠，可以制备成各种形状的器件，并且适合于各种易变的环境

稳定性强:10万小时，光衰为初始的50%，其发光时无频闪现象，能有效保护人的视力。

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响应时间短:其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。 对环境无污染:无金属汞等有害物质，节能环保。

价格低:因LED省电的特性，及其它的制造简单，原料丰富的特点，因而价格越来越平民化 ，应用越来越广泛。 4.2 LED的分类

普通单色发光二极管 变色发光二极管 闪烁发光二极管 高亮度发光二极管 电压控制型发光二极管 超高亮度发光二极管 负阻发光二极管等 超高亮度发光二极管 高亮度发光二极管

图11 各种颜色的二极管

4.3 LED的广泛用途 （1）交通指示信号

在交通指挥中，要大量用到红、黄、绿色的信号灯，LED的单色性能满足这一要求。目前这一邻域的大部分灯具都是LED 的产品。 (2)生活照明

以前大量使用的是霓红灯，存在制作工艺难度大、玻璃部件过多易碎、工作电压高、能耗大等弊端和安全隐患。现在在政府的大力推动下，越来越多的LED 产品应用到夜景照明中 (3)医用无影灯，医用检查灯

图12 医用无影灯，医用检查灯

(4)电子显示频、背光等 (5)军事照明、指挥等用途

图13 电子显示频、背光等 图14 军事照明、指挥等用途

5 LED照明前景展望

LED是一种很有前途的照明光源，虽然目前受到技术水平和价格的限制，尚

无法在照明领域中与传统的光源抗衡，但是其发展的潜力十分巨大。随着技术的进步，LED必将在照明领域中充分发挥其节能高效的特点，从而获得越来越广泛的应用。

表1 LED照明前景展望表

年份 产生1000lm光通量的单只白光LED的光通价格/美元 量/lm 2000 2003 400 100 2 100 4 / 5

2005 2007

6 结束语

50 20 500 1000 作为新型高效固体光源, LED已显示出作为照明光源的巨大潜力, 将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃, 引发第三次照明革命, 其经济效益和社会意义巨大。相信LED 照明以其独特的魅力, 必将在不远的将来走入千家万户, 全面取代传统照明。

参考文献

[1]百度百科《发光二级管》。

[2] http://www.elecfans.com/yuanqijian/led/电子发烧友网站。

[3] 《高亮LED驱动电路的设计研究》 单英艳，2009年1月，西安科技大学。

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