Tout d’abord, les connaissances de base sur les LED

1. Principe de luminescence LED

LED (diode électroluminescente) est l’abréviation de diode électroluminescente. Les diodes constituées de composés de gallium (Ga), d’arsenic (AS) et de phosphore (P) peuvent émettre de la lumière visible lorsque des électrons et des trous sont combinés, de sorte qu’elles peuvent être utilisées pour fabriquer des diodes électroluminescentes, qui peuvent être utilisées comme indicateurs dans les circuits et les instruments, ou comme affichage de texte ou numérique. Les diodes à l’arséniure de gallium brillent en rouge, les diodes au phosphure de gallium brillent en vert et les diodes en carbure de silicium brillent en jaune.

Avec les progrès de la science et de la technologie, il existe une LED qui peut émettre une couleur de lumière incandescente similaire, ce qui fournit une source d’éclairage longue durée et à haute efficacité pour l’éclairage moderne, et la chose la plus précieuse est que l’appareil LED a une durée de vie de plus de 50 000 à 100 000 heures, ce qui convient à une variété d’occasions.

2. Caractéristiques des LED

La lumière émise par les LED est différente de la lumière naturelle, son spectre n’est pas continu et la partie infrarouge est manquante, donc contrairement aux lampes à incandescence, la chaleur générée par les LED n’est pas dissipée par rayonnement, mais doit être dissipée par conduction, c’est pourquoi les LED sont appelées sources de lumière froide.

Les LED présentent les avantages suivants :

Haute efficacité et économie d’énergie : la LED blanche est le dispositif de source de lumière blanche le plus économe en énergie connu à l’heure actuelle. Seuls quelques kilowattheures d’électricité sont consommés en 1 000 heures (les lampes à incandescence ordinaires de 60 W consomment 1 kilowattheure en 17 heures, et les lampes à économie d’énergie ordinaires de 10 W consomment 1 kilowattheure en 100 heures)

Durée de vie ultra-longue : les puces semi-conductrices sont lumineuses, sans filament, sans bulles de verre, ne craignent pas les vibrations, ne sont pas faciles à casser et la durée de vie peut atteindre plus de 50 000 heures (la durée de vie des lampes à incandescence ordinaires n’est que de centaines d’heures et la durée de vie des lampes à économie d’énergie ordinaires n’est que de 8 000 heures)

Vert et respectueux de l’environnement : il ne contient pas d’éléments nocifs tels que le mercure et le xénon, ce qui est propice au recyclage et à l’utilisation, et ne produit pas d’interférences électromagnétiques (les lampes ordinaires contiennent des éléments tels que le mercure et le plomb, et les ballasts électroniques des lampes à économie d’énergie produiront des interférences électromagnétiques, et des éléments au mercure sont toujours présents dans les lampes)

Protection de la vue : entraînement CC, pas de scintillement (les lampes ordinaires sont alimentées en courant alternatif, cela produira inévitablement un stroboscope)

Haute efficacité lumineuse : faible génération de chaleur : 90 % de l’énergie électrique est convertie en lumière visible (80 % de l’énergie électrique des lampes à incandescence ordinaires est convertie en énergie thermique, et seulement 20 % de l’énergie électrique est convertie en énergie lumineuse)

Le potentiel du marché est important : la basse tension, l’alimentation en courant continu, la batterie et l’alimentation solaire peuvent être utilisées, qui peuvent être utilisées dans les zones montagneuses éloignées et l’éclairage des champs et d’autres endroits manquant d’électricité et moins d’électricité.

Selon la prédiction des institutions internationales faisant autorité, l’éclairage à diodes électroluminescentes à semi-conducteurs remplacera la source lumineuse traditionnelle existante dans les 5 à 10 prochaines années, bien sûr, cela dépendra de la LED blanche est moins chère, et les progrès scientifiques et technologiques entraîneront inévitablement la croissance rapide de la capacité globale du marché. Les techniciens ont mesuré qu’à luminosité égale, la consommation d’énergie des LED n’est que de 1/10 de celle des lampes à incandescence et la durée de vie est 100 fois supérieure à celle des lampes à incandescence. Parce que la LED présente les avantages d’économiser de l’énergie, de protéger l’environnement, de prolonger sa durée de vie et de réduire sa taille, les experts l’appellent un autre bond dans l’histoire de l’éclairage humain après les lampes à incandescence et les lampes fluorescentes. Selon le département américain de l’Énergie, un remplacement complet des appareils d’éclairage traditionnels commencera en 2010. Le Japon, les États-Unis, l’Europe, la Corée du Sud et d’autres pays ont officiellement lancé le plan stratégique d’éclairage LED. Selon les rapports, lors de l’Exposition universelle qui s’est tenue à Shanghai, en Chine, cette année, de nombreux pavillons de pays développés ont pleinement utilisé les LED comme source d’éclairage. En Chine, l’application de la LED est également dans un stade de développement vigoureux, mais comme la Chine ne maîtrise pas la technologie de base de la LED haute puissance, le pays est encore au stade des puces semi-conductrices importées et des emballages nationaux, de sorte que le prix est toujours à un niveau élevé par rapport aux pays étrangers, et l’application est légèrement affectée.

3. Caractéristiques électriques des diodes électroluminescentes LED

La LED est dans un état de fonctionnement positif, lorsqu’elle atteint sa valeur de tension lumineuse, la LED commence à émettre de la lumière, lorsque la tension continue d’augmenter, la luminosité lumineuse de la LED augmente fortement, si la tension est légèrement augmentée, la LED peut brûler instantanément, on peut voir que la LED appartient à une sorte d’appareil de courant, c’est cette caractéristique qui détermine que la LED doit fonctionner en toute sécurité dans un état de courant constant, ce qui est l’aspect principal du dispositif LED dans l’utilisation d’autres sources lumineuses est incohérente, et c’est aussi le facteur clé pour l’utilisation sûre de la LED, des points qui nécessitent toute l’attention du concepteur.

La figure ci-dessus montre la relation entre le courant d’entraînement direct et la luminosité de sortie d’une puce LED d’une puissance de 1W, et on peut voir qu’il existe une relation linéaire claire entre le courant d’entraînement et la sortie lumineuse dans la plage de 350mA. Cependant, à mesure que le courant vers l’avant augmente, une relation non linéaire émerge progressivement entre les deux. Lorsque le courant d’entraînement dépasse la plage linéaire, l’efficacité des lumens par watt diminue, tandis que dans la plage linéaire, le nombre de lumens par watt augmente. Lorsque le courant d’entraînement dépasse la plage linéaire, la puissance de sortie de la LED est convertie sous forme d’énergie thermique, ce qui devient une charge pour le pilote de LED, augmente la complexité de la conception thermique et réduit la durée de vie de la LED. Par conséquent, pour un appareil LED de 1W, son courant d’attaque direct ne dépasse pas 350mA. Pour les billes de lampe LED basse puissance Ф5 couramment utilisées, le courant direct ne dépasse pas 20 mA. Pour les puces LED haute puissance de 3W, le courant direct ne doit pas dépasser 700mA.

Deuxièmement, la base de la conception LED

1. Points clés de la conception de l’alimentation du pilote LED

Selon les caractéristiques de la LED, sa méthode d’utilisation sûre consiste à utiliser un entraînement à courant constant, des caractéristiques du circuit d’entraînement à courant constant : le courant de sortie est constant et la tension continue de sortie change dans une certaine plage avec la taille de la résistance de charge, la résistance de charge est faible, la tension de sortie est faible, plus la valeur de résistance de charge est élevée, plus la tension de sortie est élevée.

À l’heure actuelle, les produits finis avec LED comme principal dispositif sur le marché, la plupart d’entre eux adoptent une méthode simple d’abaissement du condensateur et atteignent un courant constant à travers le condensateur, ce type de produit présente un défaut fatal, c’est-à-dire que, souvent au moment de la commutation de l’alimentation, tous les appareils LED sont grillés en même temps, la raison en est que les caractéristiques de charge et de décharge du condensateur sont causées, où le condensateur est dans la capacité du circuit différentiel, la résistance interne du tube électroluminescent est équivalente à la résistance dans le circuit différentiel et le paramètre de temps du circuit différentiel t = 0,7RC, alors au moment de la charge et de la décharge de t, Le courant instantané traversant la LED est extrêmement important (qui peut atteindre des dizaines à des centaines de fois le courant normal), causant des dommages instantanés et permanents à la puce.

Un circuit de pilote de LED fiable est illustré ci-dessous :

Dans ce circuit, C1 peut être omis, et U1 peut être remplacé par une diode ordinaire peu coûteuse, et l’inconvénient de ce circuit est que son efficacité est faible, et il est plus efficace lorsqu’il utilise des dizaines (moins de 65) de tubes électroluminescents en série. Ce circuit peut également être simplifié, annuler U1 et C1, la base Q1 peut être directement connectée à l’extrémité inférieure de R1, le courant stable est de 0,6 / décision R1, lorsque R1 prend 30 ohms, le courant constant est de 20mA.

Théoriquement, les LED sont des diodes qui peuvent émettre de la lumière, et en fait, les propriétés électriques de toutes les LED ne sont pas les mêmes, en particulier pour les LED d’occasion qui sont faciles à obtenir par les amateurs d’électronique, la valeur seuil Vf de chaque LED est différente, ce qui signifie que l’intensité lumineuse de la LED et le courant d’entraînement ne sont pas exactement les mêmes, ou très différent, à ce stade, le concepteur doit analyser la situation réelle et adopter le schéma de conception le plus raisonnable, afin d’obtenir la fiabilité et les avantages économiques les plus efficaces.

Parce que la LED est un appareil de type courant, à proprement parler, elle ne peut être utilisée qu’en série, dans l’état de fonctionnement parallèle, le tube électroluminescent parallèle doit être sélectionné, quel que soit le nombre de tubes en parallèle, la pratique a prouvé que la différence de chute de tension du tube ne doit pas dépasser 0,005 V, sinon il est facile de causer des dommages. Au cours des dernières années, il y a eu de nombreuses lampes de poche produites en parallèle par 7, 9 ou même plus de LED sur le marché chinois, qui étaient autrefois prospères, mais depuis l’émergence d’un seul tube de lampe de poche LED 1W, 3W, 5W, la lampe de poche produite en série a chuté en prix, au point que presque personne ne s’en soucie, Je crains que ce ne soit pas tout à fait la forme de la lampe de poche et d’autres raisons, la clé est que le mode technique est à l’envers et qu’une mauvaise fiabilité est la clé du problème.

The most ideal LED drive circuit is the switching power supply of PWM constant current control mode, which is mainly composed of four parts, input rectifier filter part, output rectifier filter part, PWM stable current control part, and switching energy conversion part. The basic working principle of PWM switching current stabilization is that in the case of changes in input voltage, internal parameters and external load, the control circuit conducts closed-loop feedback through the difference between the controlled signal and the reference signal, and adjusts the pulse width of the main circuit switching device, so that the output current of the switching power supply is stable (i.e., constant current power supply). The power supply efficiency is extremely high, generally 80%~90%, and the output current is quite stable. Generally, this kind of circuit has perfect protection measures and is a high-reliability power supply. The disadvantage is that the cost is higher.

2. LED heat dissipation solutions

The heat dissipation of LEDs is also a key issue that designers must consider, and the light decay of LEDs is related to the working time and current of the LEDs, as well as the temperature at which the LEDs are operating. The working life of LED in the correct working state can reach at least 50,000 hours, and it is generally easy to reach 100,000 or even hundreds of thousands, but once the ambient temperature is too high and the working current is too large, it will cause the life of the LED to drop sharply, and even cause permanent damage. The general low-power LED application can not consider the problem of heat dissipation, but the current working current of 60-150mA of the medium power LED has appeared, then the designer has to consider the problem of heat dissipation in the normal operation of the LED, fortunately, the outer diameter of 8mm, the working current of 150mA of a kind of white LED pins are relatively thick, basically can use its thick pins for heat dissipation, but for larger power such as 1W and above 3W, LEDs of 5W or even more than 10W must be equipped with heat sinks to be considered a normal working environment.

The figure below shows the temperature vs. current curve of the LED LED when it is operating

Most electronics enthusiasts know that after the PN junction semiconductor device is conducted, the junction voltage VF decreases with the rise of the ambient temperature, that is: -2mv/°C, which is called the negative temperature effect of the PN junction, and the temperature sensor can be made by using this characteristic, but this characteristic is a fatal defect in the application of light, which directly affects its luminous efficiency. Luminous luminance, luminous chromaticity. For example, when the ambient temperature rises to 85 °C, the junction voltage VF decreases, and the working current increases sharply to 35-37mA, see Figure 2, current curve I., when the temperature drops to -40 °C, the junction voltage VF rises, and the optimal working current will decrease from 20mA to 8-10mA., and the luminous brightness also decreases with the decrease of current, which cannot reach the illumination required by the place.

In order to avoid the above-mentioned undesirable phenomena, some measures are usually required to be adopted in LED related products. If the LED is installed on the heat dissipation plate, or the fan is air-cooled or the LED adopts the power supply mode of constant current source, the current will not increase due to the increase of the LED with the temperature, and the PN junction will not be malignantly heated, or the two methods can be used together. Practice has proved that for high-power LED lights (such as advertising background lights, street lights), the installation of radiators is indeed an effective measure. However, when LED lights enter ordinary people's homes, they encounter the following problems: whether the heat dissipation plate and air cooling can be concentrated in the space of an ordinary lamp head; The use of integrated circuits or many components of the constant current source circuit, its life and reliability will not depend on the LED, according to the "barrel theory" the reliability of the whole system will depend on some such as temperature rise and other "shortcomings".

< there are many LED circuit design materials that can be found for reference now, so I will not repeat > here

LED as a light source, there is a very important parameter, that is, the color temperature of the LED, let's use the end of this special issue, but also to learn some knowledge about the color temperature of the light source~

The color temperature of the light source LED is different, the light color is also different, the LED color temperature is below 3300K, there is a stable atmosphere, a warm feeling; The LED color temperature is 3000-5000K for the middle LED color temperature, which has a refreshing feeling; The LED color temperature is above 5000K and has a cold feeling. Different light colors of different light sources make up the best environment.

Definition of LED color temperature

It is expressed by the absolute temperature K, that is, the standard black body is heated, and when the temperature rises to a certain extent, the color of the black body begins to be dark red-light red-orange-yellow-white-blue, and gradually changes, when the color of a light source and the black body is the same, we call the absolute temperature of the black body as the LED color temperature of the light source.

LED color temperature in different light source environments:

The following are the LED color temperatures used in common lighting fixtures

Halogen lamp 3000k

Tungsten lamp 2700k

High Pressure Sodium Lamp 1950-2250K

Candle light 2000k

Metal halide lamp 4000-4600k

Cool Camp Light 4000-5000K

High Pressure Mercury Lamp 3450-3750K

Warm fluorescent light 2500-3000k

Clear Sky 8000-8500k

Cloudy 6500-7500k

Summer midday sun 5500k

Afternoon daylight 4000k

Characteristics of LED color temperature

1. In high-latitude areas, the LED color temperature is higher, and the color seen is blue.

2. In low latitudes, the LED color temperature is low, and the color seen is reddish.

( <---- Low LED color temperature ------------------ High LED color temperature ----> )

3. During the day, the LED color temperature also changes, when the sunlight is obliquely shining, the energy is absorbed more by (clouds, air), so the LED color temperature is lower. When sunlight shines directly, the energy is absorbed less, so the LED color temperature is higher.

4. The sRGB color model for Windows is 6500 K as the standard LED color temperature, which is represented by D65.

5. The LED color temperature in the early morning is around 4400 K.

6. The color temperature of LEDs in the mountains is about 6000 K

LED lighting applications in various colors

1. White light has perfect color characteristics, but it can damage the vision that adapts to dark light, and it takes a certain amount of time to re-adapt after a certain light source is extinguished.

The LED color temperature is below 3300K, and the light color is reddish to give a warm feeling; There is a calm atmosphere, a warm feeling; When illuminated with a low LED color temperature light source, the red color can be more vivid.

The LED color temperature is in the middle of 3000-6000K, and there is no particularly obvious visual psychological effect in this tone, and there is a refreshing feeling; That's why it's called "neutral" LED color temperature. When illuminated by a medium LED color temperature light source, the blue color has a cool feeling.

The LED color temperature is more than 6000K, and the light color is blue, giving people a cold feeling, and when the high LED color temperature light source is used, the object has a cold feeling

2. Red light is often used for night vision. The red light does not cause your pupils to constrict too much and the eyes do not need to readjust to the darkness once the red light is extinguished. Red is also commonly used as a "safe" color in monochrome photo processing because it does not damage the negative being printed, and yellow light has some of the advantages of red and white light. Another advantage of yellow light is that when you read, you can reduce the reflection and glare of light that causes eye strain due to long readings.

3. Green light can also be used for night vision, and green light is also especially suitable for reading maps or charts at night. It is also less easily spotted by night vision equipment, so it is easy to detect by the human eye, and the green light is less bright than the red light.

4. Blue light can be used to read maps at night and is often favored by military personnel because it increases the level of contrast. It can also be used as a backstage working light color for cinemas and performances.

5. Blue-green light has similar night vision advantages of green light and blue light, but with the improvement of the color characteristics of blue-green light, some users like to use blue-green light for this reason.

6. Infrared red light is used with night vision equipment. Otherwise, infrared light cannot be seen with the human eye.

7. Ultraviolet light is usually used to identify whether banknotes are counterfeit or not, some UV LED illuminators are popular in nightclubs and parties, they are used to make fluorescent substances emit brighter light.

Comparison of LED color temperatures

1700 K: Match light

1850 K: Candle

2800 K: Tungsten lamp (incandescent)

3350 K: Studio "CP" light

3400 K: studio desk lamp, photographic floodlight (not flash), etc...

4100 K: Moonshine

5000 K: Daylight

5500 K: Average daylight, electronic flash (varies by manufacturer)

5770 K: Effective solar temperature

6420 K: Xenon arc lamp

6500 K: Daylight

9300 K: TV screen (analog)