搞懂這四個關鍵參數，LED指示燈應用設計其實並不難

LED技術日益成熟。LED指示燈可以在絕大部分的設備和電路上可以看到。那在實際選擇和設計LED時，有哪些需要注意的呢？LED涵蓋的內容很多, 本文主要介紹最基礎的LED指示燈選擇時需要注意的關鍵參數與設計實例。後續的文章中會介紹特種LED比如說紫外線LED等選型設計的相關內容。

LED指示燈關鍵參數

Digikey 官網上有多種不同種類的LED, 可以根據不同的參數選擇合適的LED。

http://www.digikey.com.cn/search/zh/光電元件/LED-指示-分立/4072

圖1，Digikey LED指示燈參數選擇界面

■參數一：波長

峰值波長&主波長。人眼能看到的光和機器能看到的光線不完全一致。所以有兩個波長指標來表示：主波長、峰值波長。

• 峰值波長：光譜發光強度或輻射功率最大處所對應的波長。

• 主波長：眼睛能看到光源發出的主要光的顏色所對應的波長為主波長

一般來說這個兩個參數差別不大。選擇時主要看應用場合。如果是用在光學儀器上的時候，這個時候儀器需要識別波長，選擇時應該以峰值波長為準。如果是用在指示的方面，因為接受者是人，更多的應考慮主波長。

圖2，Digikey LED主波長和峰值波長參數選擇

顏色和波長。顏色和波長是一一對應的。如果選料的時候想找與之前顏色一樣的LED替代料。可以直接比較波長這個參數。如果波長一致，顏色也是一致的。下面是常用顏色對應波長範圍。

紅（Red）：R（610nm-640nm）

黃（Yellow）：Y（580nm-595nm）

藍（Blue）：B（455nm-490nm）

綠（Green）：G（501nm-540nm）

紫（Purple）：P（380nm-410nm）

■參數二：發光強度

發光強度（毫燭光candela，單位mcd），是衡量光源發光強弱的量，也就是儀器能接受到的光的亮度。

圖3，Digikey LED發光強度參數選擇

在實際應用中，人眼對不同波長的光的感知程度是不一樣的。同樣輻射能量的LED，我們會感覺紅光比綠光會亮很多。實際設計時，有時需要同時用到不同顏色LED。為了保證所有LED亮度的一致性，可以考慮適當的選擇發光強度大一點綠色LED。

■參數三：正向電壓Vf & 正向電流If：

LED是二極體的一種，一般正嚮導通的情況下，正向電壓Vf可以理解為使LED發光所需要提供的額定電壓。正向工作電流If可以理解為使LED發光所需要提供的額定電流。一般來說，正向工作電流越大，LED亮度越大。

圖4，Digikey LED正向電壓Vf & 正向電流If參數選擇

正向電流If越大，溫度越高，壽命會受影響。當環境溫度較高的時候，為了更長的LED, 建議減小正向電流。許多原廠都會在數據手冊中列出溫度與額定正向電流的對應曲線。

圖5，溫度額定正向電流曲線（QTB QBLP631-AG）

■參數四：LED封裝

封裝主要分為兩種：貼片和直插。

表1，LED封裝類型

一般來說，貼片所佔的體積會更小一點。以下是貼片封裝的相關參數。

也可以通過尺寸來選擇，下圖中的長、寬主要是指的是貼片封裝的尺寸。

LED設計實例

下面是一個最簡單的LED指示燈設計實例。我們拿（QTB QBLP631-AG）舉一個例子：LED前向電壓Vf 2.0V，LED正向電流20mA。想實現一個亮度可調的LED指示燈。有要一個5V的電壓源/電池，要求LED正向電流在10mA到20mA之間變化。

然後串聯一個的可調電阻。當電流20mA，此時LED亮度最大，此時電阻=(5V-2V) /20mA=150Ω。當電流10mA時，電阻=(5V-2V) /10mA=300Ω，此時LED亮度減弱到最亮時的一半。下圖為電路圖。

圖6，可調LED設計實例

■LED調光設計

傳統的大功率LED照明可能會採用到三端雙向可控硅（TRIAC）。TRIAC調光之前多用於白熾燈和鹵素燈調光。當傳統白熾燈和鹵素燈使用LED替換時，TRIAC調光具有一定的兼容性。這種方案經常用在家用照明解決方案之中。

TRIAC可以看成是由兩個可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier）反向並聯。當沒有電流時，可控硅整流器會自動關斷。當門極（Gate）給一個觸發電流，可控硅整流器再次打開。通過電容電阻網路來控制門極的電流便能實現調光。

圖7，LED TRIAC調光

更多關於Triac LED調光設計，可以參考以下文獻：

Dimming LEDs with Traditional TRIAC Dimmers（https://www.digikey.com.cn/zh/articles/techzone/2011/jul/dimming-leds-with-traditional-triac-dimmers）

ICs Answer the Challenge of Dimming LED Lamps in TRIAC-Driven Circuits（https://www.digikey.com.cn/zh/articles/techzone/2014/jul/ics-answer-the-challenge-of-dimming-led-lamps-in-triac-driven-circuits）

LED實際應用過程中，對於一些高質量高可靠性的LED應用，很多會採用脈衝寬度調製（PWM）。PWM控制廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

人眼在頻率達到100Hz的時候就已經難以察覺明顯的明暗變化了。利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制。微處理器輸出一定頻率的方波，通過調整高電平和低電平的占空比，即可實現LED燈亮度控制。PWM控制中，電壓一般使用數據手冊中標明的正向電壓。

下圖顯示了三種不同的脈衝類型。脈衝持續時間Tp，脈衝周期T,占空比D(D=Tp/T)。調整占空比即可調整LED的亮度。如下圖第一個脈衝波形使LED中等亮度發光。中間脈衝波形使LED亮度發光較暗。最下面脈衝波形使LED亮度發光較亮。

圖8，LED PWM控制

更多關於PWM LED調光設計，可以參考以下文獻：

How to Dim an LED Without Compromising Light Quality（https://www.digikey.cn/en/articles/techzone/2016/oct/how-to-dim-an-led-without-compromising-light-quality）

經驗總結

在做LED指示燈的選型設計時，壽險要正確選擇LED指示燈時，需要考慮關鍵參數有：

• 波長：波長與顏色對應

• 發光強度：同樣輻射強度的LED，我們會感覺紅光比綠光會亮很多。

• 正向電壓，正向電流：與驅動設計相關

在LED指示燈系統設計階段，主要的設計考量包括：

• 簡單的設計方案，串聯一個電阻電源既可以實現發光

• 對於傳統家用照明可以考慮TRIAC調光。

• 對於一些高質量高可靠性的LED應用，可以採用PWM控制

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