1、LED是什么
LED是Light Emitting Diode的缩写，意思是发光二极管，其实质是一个被环氧树脂封装起来的半导体晶片，由P型和N型两部分半导体组成。在P型半导体中，空穴是多数载流子；在N型半导体中，电子是多数载流子，这两种半导体之间有一个PN结。
2、LED的发光原理
PN结的空间电荷区中，存在由N边指向P边的自建电场。也就是说，PN结存在一定的势垒。当PN结被施加正向偏置电压时，势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以导致大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时的能量以光的形式释放出去，这就是LED发光的原理。
PN结的材料决定了光的波长，也就决定了光的颜色。因为白光是一种复色光，所以白色LED的发光原理稍有不同。有的是先发出蓝光，再由蓝光激发红绿蓝三色荧光粉发光；有的是先发出紫外光，再由紫外光激发红绿蓝三色荧光粉发光；有的是把蓝色LED和黄绿色LED封装在一起，构成白色LED；有的是把红绿蓝三色LED封装在一起，构成白色LED……总之，白光不是直接由一个PN结发出的，而是复合成的。
3、LED照明的优点
LED是固态的半导体器件，比传统照明设备坚固耐用、寿命长、体积小、环保、易于调光。2008年北京奥运会开幕式就是有史以来规模最大的LED灯光表演，鸟巢中徐徐展开的精美画卷、夜空里闪闪发光的奥运五环……都是LED调光技术的应用。
4、LED照明灯的设计思路
设计一盏LED照明灯有两个方案，一是采用几只大功率LED，二是采用几百只小功率LED组成矩阵。
采用大功率LED的优点是：①电路元件少，且无需考虑参数离散问题。②焊接难度小，制作时间短。缺点是：①每只LED的发热量很大，必须安装散热片，导致整体灯具太厚。②每只LED发出的光很强，直视会伤害眼睛。③在光通量和发光效率相同的前提下，大功率LED的价格比小功率LED高约一倍。
采用小功率LED的优点是：①每只LED的发热量很小，无需安装散热片，所以整体灯具可以做的很薄。②每只LED发出的光较弱，直视不会伤害眼睛。③整体灯具的成本低。缺点是：①电路元件多，设计时需要考虑各个元件的参数离散问题。②要让几百只LED排列得非常整齐，焊接难度大，制作时间长。③某些人有严重的密集排列恐惧症，难以忍受LED矩阵的外观。
5、LED的选择
经综合考虑，我决定采用小功率LED矩阵照明，遂从淘宝网订购了150只5mm小功率草帽头LED，见图1
它的主要技术参数如下（除特别说明，以下参数皆于直流20mA下测得）：
①压降：3.3至3.4V
②光通量：6至7lm，发光强度：1.8至2.4cd
③光衰：10000小时衰减1%
④发光角度：120°
⑤色温：5500至6500K
⑥脉冲驱动方式：脉冲宽度≤10mS，占空比≤1/10，脉冲电流50mA
由以上参数可以算出此LED的功耗=压降×电流=66至68mW，取平均值67mW。光效=光通量/功耗=89.55至104.48lm/W，平均约为97lm/W。此种LED的零售价为0.33元/只，按每只LED的光通量为6.5lm计算，发光成本为0.33元/6.5lm≈0.051元/lm。
6、放弃高端大功率LED的原因
目前高端移动照明器材，如大名鼎鼎的SureFire军用手电，广泛采用了美国CREE公司的Q5级LED。当其通过1A电流时，压降为3.8V，光通量为230至250lm。按240lm计算，其光效约为63lm/W，远低于97lm/W的小功率LED。Q5的售价为26.6元/只，其发光成本为26.6元/240lm≈0.111元/lm，远高于0.051元/lm的小功率LED，故放弃Q5。
R5级是目前CREE公司的顶级LED，在通过1A电流时，压降为3.3V，光通量为345lm以上。据此计算其光效至少为104.55lm/W，略高于小功率LED。R5的售价为42.2元/只，其发光成本为42.2元/345lm≈0.122元/lm，高出小功率LED一倍以上，虽然它的光效高，但必须放弃。
7、驱动电路的设计
无论LED发出的光芒多么璀璨夺目，本质还是个二极管，其伏安特性曲线依旧陡峭，所以应该用恒流方式驱动LED，而不是恒压。我放弃脉冲驱动方式的原因是：这是我初次制作LED灯具，想从台灯入手。台灯距离头部近，脉冲驱动方式有强电磁辐射，损害健康。
经过综合考虑，我决定采用144只LED以3串48并的方式连接，用12V1A的开关电源驱动。每3只LED串联后再串一只100Ω的限流电阻，当电流为20mA时，3只LED的总压降约为10V，100Ω电阻的压降为2V，正好与12V电源相配。48组并联后总电流为20mA×48=0.96A，正好配合常见的12V1A开关电源。虽然限流电阻浪费了1/6的能量，但为了抹平LED之间微小的压降差异，不得不作此牺牲。
也许有人会问：为什么不把7只LED串联，经过限流电阻后接到24V电源上呢？这样不就能把浪费降低到1/24以下吗？主要原因是：各个LED的压降不尽相同，可能是3.3V至3.4V之间的任何值。串联7只后，总压降就会在23.1V至23.8V之间，限流电阻的压降需要在0.2V至0.9V之间波动，这个范围太大了，在极端情况下无法保证LED的亮度均匀。当然还有个次要原因，那就是24V的开关电源不如12V的普遍，最起码我手头没有，需要另购。
8、LED的排布
LED矩阵必须焊在PCB（Printed Circuit Board印刷电路板）上，不能搭线焊接，最廉价的PCB来源是电子市场上现成的万能PCB。我手头正好有一块15cm×9.5cm的万能PCB，所以无需另购。这块板共有48×30=1440孔，间距是标准的2.54mm，LED的最大直径为5.85mm。由此计算，如果排布成规则的矩阵，因为2.54mm×2 < 5.85mm < 2.54mm×3，所以至少需要3个孔距才能安放一只LED，也就是说每个LED需要占用3×3个孔位，整个PCB可以排成一个16×10的矩阵，考虑到每3只LED串联成一组，而16和10都不是3的整数倍，所以改为15×10或16×9，又因为15×10的排布方式需要的飞线较多，所以最终选定16×9的方式。16×9=144只LED，其光通量为864至1008lm，而一只40W的白炽灯的光通量约为350lm，一盏40W的日光灯的光通量约为2100lm，所以作为台灯，144只LED足够亮了。
如果需要更高的亮度，还可以交错排布LED，这样每只LED仅占用3×2个孔位，根据勾股定理可以算出相邻两只LED的圆心最小距离为：2.54×5^0.5≈5.68mm，略小于5.85mm的最大直径。实践证明，这多出的0.17mm完全可以用LED引脚与插孔的间隙补偿。如此算来，这块板可以安装240只LED，采用16×15或者24×10的排布方式，光通量可达1440至1680lm，至少可以代替32W的日光灯。
9、LED台灯的制作过程
①修剪引脚。以一截硬塑料管为基准，将所有LED的引脚都剪成同样的长度。
②焊接LED。把一根笔直的电木条平放在PCB上，使其边缘紧贴待插装LED的孔，用夹子把电木条夹牢。以电木为基准插装LED，到位后用手指扶稳再焊接，将一行9只LED都焊完后，松开夹子，移动电木条到下一行待焊的孔边。如此反复，可保证所有LED的高度相同，且整齐划一。图2
③焊接电阻。由于万能PCB的所有焊盘都是孤立的，只能靠飞线连接。所以我将100Ω的限流电阻“拆散”成几只小电阻，焊接在相邻LED引脚之间，既代替了飞线，又避免了额外占用空间去安装电阻。考虑到焊盘的大小，我给每3只LED之间串联了2只49.9Ω0603封装1%精度的精密贴片电阻和2只0Ω0603封装5%精度的普通贴片电阻。电流的流向为：12V电源+极→LED→49.9Ω→0Ω→LED→0Ω→49.9Ω→LED→电源-极。
④分组测试。将稳压电源调至12V，串联好电流表，依次测试每组LED的电流，都应当在20mA左右，不能有大的出入。经实测发现48组LED的电流都在19.8至20.6mA之间，最大值与最小值相差不到1mA，完全符合预期。
⑤连成矩阵。将串联好的LED灯组并联起来，最后焊好总电源线，红色为+极，黄色为-极。图3
⑥整体测试。将稳压电源调至12V，串联好电流表，测试LED矩阵的总电流，约为1A，完全符合预期。
⑦制作挂架。由于自制灯座难度较大，故用硬导线和绳子做了一个小挂架，将灯挂在家具的玻璃槽中，图4
⑧配置电源。这里有一段小插曲，我首选的是一只尘封已久的12V1.6A工业级开关电源，将输出电压微调至12.12V（多出的0.12V是为了补偿电源线的损耗），通电。灯的亮度超出预期，效果极好，我甚为激动。几小时后再测，发现电源电压降至10V多，说明此开关电源已老化。遂更换为一只质量较好的民用12V1A开关电源，正常使用至今
10、总结
这次成功试制LED台灯为日后制作更大功率的LED灯具积累了经验。我计划将家里所有的常规灯具逐步更换为LED照明灯。不过手工焊接的工作量已经很大，如果全靠飞线连接，那么工作量就不堪忍受了。于是我考虑自己设计专用的PCB。目前PCB工厂的样板制作费用为：10块面积小于5cm×5cm的双面FR4材质PCB价格50元，面积小于10cm×10cm的价格100元。按照现有LED的直径5.85mm估算，一块9.9cm×9.9cm的PCB完全可以安放17×17=289只LED，如果采用交错排布，再扣除四角螺丝孔的位置，完全可以安放300多只LED，达到2000lm的光通量，足以代替40W的日光灯。实际安装时，根据屋子的大小和所需的亮度决定需要几盏灯，相邻的灯还可以共用电源，非常灵活方便
