LED产品设计：优化方案

一、LED优势

1.节能

LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%～90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做了一番比较，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为20～28lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更伟大的改革。除此之外，LED还具有其他优势，光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源；可靠耐用，维护费用极为低廉等等。正因为LED具有以上其他固体光源还无法匹敌的特点，10年后LED将是照明行业的主流光源。

2.环保

LED在生产过程中不要添加“汞”，也不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输，非常环保，被称为“绿色能源”。

3.寿命非常长

普遍在5万～10万小时之间，因为LED是半导体器件，即使是频繁的开关，也不会影响到使用寿命。

4.LED元件的体积非常小

更加便于各种设备的布置和设计，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。

5.LED的发出的光线能量集中度很高

集中在较小的波长窗口内，纯度高。

6.LED响应时间非常快

在微秒级别，只要开关一开，马上就会亮，不会出现延迟的和闪烁的现象。

7.LED的发光指向性非常强

亮度衰减比传统光源低很多。

8.LED使用低压直流电即可驱动

具有负载小、干扰弱的优点，对使用环境要求较低。

9.能够较好地控制发光光谱组成

从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。

10.可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小

可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小从而发出各种颜色的光线，且彩度更高。

11.显色性高

显色性高，不会对人的眼睛造成伤害。

但是作为一个新兴的技术领域，半导体照明行业还处于一个快速发展阶段，科技进步令我们感到欣喜，但是我们还要意识到无论是技术环节还是行业的规章制度，与传统的光源相比，都还不成熟不健全。要真正实现用LED代替传统光源还有一段很长的路要走，还有很多技术难题要克服。

二、LED主要性能指标

LED性能指标是整个LED的核心部分，只有了解它的性能指标，才能深度的了解LED，对以后产品的开发和销售也能得心应手，也是进入LED行业必须了解的东西，下面进行详细的介绍：

1.LED的颜色

LED的颜色是一项很重要的指标，每一个LED相关灯具产品必须标明，目前LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等，在设计和接单的时候这个参数是千万不能忘记，尤其是初学者。因为颜色不同，相关的参数也有很大的变化。

2.LED的电流

LED的正向极限（IF）电流多在20mA。LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比，当IF＞20mA时，亮度的增强已经无法用肉眼分出来。因此LED的工作电流一般选在10～19mA左右比较合理。前面所针对的是普通小功率LED（0.04～0.08W）而言，对于有些食人鱼LED除外（有些在40mA左右的额定值。除着技术的不断发展，大功率的LED也不断出现如0.5W LED（IF＝150mA），1W LED（IF＝350mA），3W LED（IF＝750mA）还有其他更多的规格，可以LED手册中查找相关的数据。

3.LED的电压

我们通常所说的是LED的正向电压，就是说LED的正极接电源正极，负极接电源负极。电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8～2.4V之间。白、蓝、翠绿的电压是3.0～3.6V之间，可能同样一批LED的电压会有一些差异，要根据厂家提供的为准。在外界温度升高时，VF将下降。

4.LED的最大反向电压VRm

LED的反向电压VRm是所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

5.LED的色温

LED的色温指光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度，以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。

因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力。不同光源环境的相关色温度如表9-1所示。

光源色温不同，光色也不同。光色愈偏蓝、色温愈高；偏红则色温愈低。色温在3000K以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000～5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。

表9-1　不同光源环境的相关色温度

6.发光强度

发光强度（I、Intensity）：单位坎德拉，即cd。光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的（发）光强（度），发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd＝1cd，因此15000mcd就是15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。

用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

7.LED光通量

LED光通量（F，Flux）：单位流明，即lm。光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。同样，这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多。对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则F＝4πI。也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4π＝12.56 lm。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。要知道，光通量也是人为量，对于其他动物可能就不一样的，更不是完全自然的东西，因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W＝683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其他颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。

常用白光LED流明为：0.06W→3～5lm，0.2W→13～15lm，1W→60～80lm。

8.LED光照度

LED光照度（E，Illuminance）：单位勒克斯即lx（以前叫lux）。1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度。

9.显色性

光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：高压钠灯显色指数Ra＝23，荧光灯管显色指数Ra＝60～90。

显色分两种：

忠实显色：能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。

效果显色：要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。

10.眩光

眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。

11.LED的使用寿命

LED在一般说明中，都是可以使用50 000小时以上，还有一些生产商宣称其LED可以运作100 000小时左右。这方面主要的问题是，LED并不是简单的不再运作而已，它的额定使用寿命不能用传统灯具的衡量方法来计算。实际上，在测试LED使用寿命时，不会有人一直待在旁边等着它停止运作。不过，还是有其他方法来测算LED的使用寿命。LED之所以持久，是因为它不会产生灯丝熔断的问题。LED不会直接停止运作，但它会随着时间的流逝而逐渐退化。有预测表明，高质量LED在经过50 000小时的持续运作后，还能维持初始灯光亮度的60%以上。假定LED已达到其额定的使用寿命，实际上它可能还在发光，只不过灯光非常微弱罢了。要想延长LED的使用寿命，就有必要降低或完全驱散LED芯片产生的热能。热能是LED停止运作的主要原因。LED的寿命与LED的芯片和LED驱动有关。

12.LED发光角度

二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制，有三大类：（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。发光角度5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。（2）标准型。通常作指示灯用，其发光角度为20°～45°（3）散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

LED的发光角度是LED应用产品的重要参数，在设计和选择时务必重视这个参数。

以上就是主要的和常用的LED参数，这些参数在以后产品应用中极为重要，请一定要了解和应用。

三、LED产品分类(www.xing528.com)

LED产品分类众多，LED根据发光管发光颜色、发光管出光面特征、发光管结构、发光强度和工作电流、芯片材料、功能等标准有不同的分类方法。下面简单介绍前六种分类方法。

1.根据发光管发光颜色分类

根据发光管发光颜色的不同，可分成红光、橙光、绿光（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含2种或3种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

2.根据发光管出光面特征分类

根据发光管出光面特征的不同，可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3.根据发光二极管的结构分类

根据发光二极管的结构，可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等。

4.根据发光强度和工作电流分类

根据发光强度和工作电流，可分为普通亮度LED（发光强度＜10mcd）、高亮度LED（10～100mcd）和超高亮度LED（发光强度＞100mcd）。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

5.按功率分

按功率分：有小功率LED（0.04～0.08W），中功率LED（0.1～0.5W），大功率LED（1～500W），随着技术的不断发展，LED的功率越做越大。

6.按封装形式分

按封装形式分：一种是SMD（贴片）和DIP（直插）两种。

随着白光LED家用化，各大光源制造商向市场推出各类模块化集成LED产品，点状、带状和平板型等，大功率LED灯珠和白光LED灯泡是目前市场上较为主流的产品。图9-5为常见的LED产品类型。

图9-5　LED软灯带贴片、大功率LED灯珠、LED灯泡、LED灯管

四、LED的驱动

如果把LED产品比作整个人，那么LED是整个LED产品的灵魂，驱动电路就是整个LED产品的身体，在LED产品的质量上面起着至关重要的任用。既然驱动这么重要，那么什么叫LED驱动？LED驱动有哪些呢，带着这些疑问让我们一起来学习一下。

LED驱动简单地来讲就是给LED提供正常工作条件（包括电压、电流等条件）的一种电路，也是LED能工作必不可少的条件，好的驱动电路还能随时保护LED，毕竟LED是整个产品的核心。

LED驱动通常分为三种：

（1）限流驱动：就是简单的在LED的回路中串接电阻，通过调节电阻的阻值，可以改变LED的驱动电流。

（2）恒流驱动：顾名思义就是保持LED的电流一直不变，让LED在恒定电流的条件下工作，要想提高LED的发光的效率和稳定度，减少LED的光衰度，恒流驱动是最好的选择，大功率LED都是采用恒流驱动方式。

（3）恒压驱动：就是保持LED两端的电压不变，因为每一种颜色的LED的电压都不一样，所以很少用恒压的方式来驱动LED。

五、LED应用范围

在上面我们对LED进行了一个全面的详细的介绍，下面就来学习一下LED到底用在什么地方，LED的应用很广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。这些应用我们随时都可见，例如：收音机的指示灯，大屏幕的LED显示屏。我们现在对它的应用进行一个全面的分类：

（1）汽车部分：LED在汽车工业中有广泛的应用，在汽车内部，仪表板、音箱等的指示灯使用了LED，在汽车外部，刹车灯、左右尾灯、方向灯等大都开始使用LED灯。目前包括奥迪、宝马、福克斯等品牌全系列采用高亮度LED，而丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度LED，其他各车厂新车，也在陆续采用。若再加上前后车灯、刹车灯，交通标志等，与交通有关的市场，商机非常庞大。在交通标志灯市场方面，全球约有2000万座交通标志灯，若每年更新200万座，商机可延续10年。

（2）背光源部分：主要是手机背光光源方面，是SMD（Surface Mounted Devices，表面贴装器件）型产品应用的最大市场。2014年全球手机出货量达18亿部，2015年手机增速有所减缓，以1部手机要LED背光源2颗、按键6颗SMD LED计，一年保守10亿部手机需求约80亿颗LED。

（3）显示屏：LED显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体——多彩霓虹灯、像素管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果好、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性能价格比高等优势，已广泛应用于各行各业。

（4）电子设备与照明：LED以其功耗低，体积小，寿命长的特点，已成为各种电子设备指示灯的首选，目前几乎所有的电子设备都有LED的身影

（5）特殊工作照明和军事运用：由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。

（6）装饰：可广泛应用在发光立体字；建筑景观外观发光体；高架、高楼、公路、桥梁、地标、标志建筑发光源；广告立体字、标志、标识、指示光源；商业空间、机场、建筑工程、地铁、医院、饭店、白货商场、广场、餐馆、PUB设计灯光；汽车、运输、轮船、宣传指示警示光源；电脑、手机、通信、滑鼠、信号传输应用光源。

随着LED的技术的不断发展，LED成为照明产品是目前发展的一个方向，也是一个必然的方向，LED的用途只会越来越广，读者朋友也可以自己去创造LED的应用新领域。

六、LED使用注意事项

LED有着独特的优势，但LED是属一种脆弱性的半导产品，所以我们在用LED产品的时候要格外小心，使用LED时的注意事项如下：

（1）应使用直流电源供电。

有些生产厂家为了降低产品成本采用“阻容降压”方式给LED产品供电，这样会直接影响LED产品的寿命。采用专用开关电源（最好是恒流源）给LED产品供电就不会影响产品的使用寿命，但产品成本相对较高。

（2）需做好防静电措施。

LED产品在加工生产的过程中要采用一定的防静电措施，如：工作台要接地，工人要穿防静电服装，带防静电环，以及带防静电手套等，有条件的可以安装防静电离子风机，同时也要保证车间的湿度在65%左右，以免空气过于干燥产生静电，尤其是绿色LED相对而言更容易被静电损坏。另外，不同质量档次的LED抗静电能力也不一样，质量档次高的LED抗静电能力要强一些。静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量，英语叫ESD。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的，即使现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成损坏。这是因为大多数ESD损害发生在人的感觉以下，因为人体对静电放电的感知电压约为3kV，而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被ESD损坏后没有明显的界线，把元件安装在PCB上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是潜在损坏，即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，所以很多电子工程师和设计人员都怀疑ESD，但近年实验证实，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性明显下降。

（3）LED的温度。

要注意温度的升高会使LED内阻变小。当外界环境温度升高后，LED光源内阻会减小，若使用稳压电源供电会造成LED工作电流升高，当超过其额定工作电流后，会影响LED产品的使用寿命，严重的将使LED光源“烧坏”，因此最好选用恒流源供电，以保证LED的工作电流不受外界温度的影响。LED温度也是影响LED寿命的最重要的因素，应当引起重视。

（4）LED产品的密封。

不管是什么LED产品，只要应用于室外，都面临着防水、防潮的密封问题，如果处理不好就会直接影响LED产品的使用寿命。现在有少部分对产品质量要求比较高的生产厂家采用传统的环氧树脂“浇灌”的方法来密封LED产品，这种方法操作起来比较麻烦，对于体积较大的LED产品不是很适合，也会造成产品的重量增加。

（5）LED的电流不能超过LED的IF电流：过流的工作会使LED寿命很快下降，如果超出过大就会马上把LED烧坏。

（6）LED折脚注意：LED在弯脚或折脚时请不要离胶体太近，应与胶体保持2mm以上的距离，否则会使LED胶体里面支架与金线分离，管脚在同一处的折叠次数不能超过三次，管脚弯成90°，再回到原位置为1次。

（7）焊接温度：焊接温度在260℃左右，时间控制在5S以内，焊接点离胶体底部在2.5mm以上，电烙铁一定要接地。绝对不允许带电焊接LED。

小　结

1.所谓LED，就是发光二极管（light emitting diode），基本结构为一块电致发光的半导体模块，封装在环氧树脂中，通过针脚作为正负电极并起到支撑作用。

2.发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。

3.LED产品类型多，按不同方法分类。如按照光色分，可以分为红色、橙色、绿色、蓝光、白光等；如按照发光管出光面特征分类，可以分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管等；常用圆灯直径有3mm、4.4mm、5mm等，按发光强度分，可分为普通亮度LED（发光强度＜10mcd）、高亮度LED（发光强度10～100mcd）和发光强度大于100mcd的超高亮度LED。

4.LED的应用很广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。

思考与练习

1.发光二极管的结构中包括了哪些基本部分？

2.简单描述LED的发光原理？

3.白光LED可以通过哪些途径形成？

4.LED产品有哪些优势，使其应用越来越广泛？

5.衡量LED性能的主要指标有哪些？

6.LED如何分类？

7.LED的驱动有哪些种类？

8.列举五个以上LED的应用领域。

9.LED应用时应该注意哪些问题？