2024-03-25

Constant-current-diode

1. 简介
	1.1 内部结构
	1.2 它是如何工作的
	1.3 属性
2. LED绝配?
	2.1 应用LED案例!
	2.2 恒流二极管测量注意事项
3. 恒流二极管产品统计
	3.1 current regulating diode
	3.2 产品统计分析
	3.3 主流产品
	3.4 更多产品来源

1. 简介

恒流二极管是一种将电流限制在最大指定值的电子设备。
它被称为限流二极管(CLD)或电流调节二极管(CRD)。
这个东西的名称还没有统一:
  • Constant-current diode  恒流二极管 constant 恒定
  • current-limiting diode (CLD)  限流二极管 limit 限制
  • (CRD):  电流调节二极管 regulate  v. 调节
    • current-regulating diode  (wikipedia.org) regulating  v. 调节
    • current regulation - diodes  (digikey.com) regulation  n. 规定
    • current regulator diodes  (mouser.com) regulator  n. 调节器
维基百科上的内容还很简陋,以下是德语版的内容。
Deutsch 维基百科-德语(German)

1.1 内部结构

电流控制二极管在结构上实际上并不是二极管,而是由JFET(一种特殊类型的场效应晶体管)和负反馈电阻器组成的电子电路。
由于这些电路只有两个与外部的连接,并且仅限制一个方向的电流,因此被称为“二极管”。

1.2 它是如何工作的

这里使用 n 沟道 JFET 的示例来描述该功能:
n 沟道 JFET 在源极和栅极之间的小负电压U GS下(即电阻器R S上的低电压)导通。
如果通过电阻器的电流增加,则会出现更强的负电压U GS,从而降低 JFET 中漏极和源极之间的电导率。
当电流减小时,会发生相反的情况:JFET 中漏极和源极之间的电导率增加。
这会导致在工作点有稳定的电流流经 JFET 。
另一种观点将 JFET 描述为反馈源跟随器。
电流受JFET通道限制;这可以从 JFET 的输出特性场中看出。
恒定电流可以使用以下等式粗略确定:
ID ≈ UGS/RS
可实现的典型电源电压范围为几伏到 40 伏,并受到 JFET 介电强度和最大功率损耗的限制。

1.3 属性

电流调节二极管的“拐点电压”约为一伏到几伏。
高于该电压,指定电流保持近似恒定,类似于恒流源。
在此电压下不会达到该电流,并且电路的行为类似于低电压下的欧姆电阻器。
电流调节二极管反向导电,类似于普通半导体二极管的正向导电。
与齐纳二极管相反,正常工作时为正极的电流控制二极管的连接称为阳极。
电流控制二极管不适合精密应用,因为样本分布相对较大,约为 ±10%。
电流还相对强烈地依赖于温度(高达约 1%/K)。
电流调节二极管的电流范围约为 5 µA 至 60 mA,最大工作电压高达 190 V。
已知类型为 1N5283 至 1N5314、J503 或 J511。

2. LED绝配?

应用于LED的立足点
  • 单一个CRD就有可能点亮LED
  • 虽然电源电压会变动,可是LED可在稳定的亮度上点亮。
  • 虽然LED的Vf有误差,可是可以得到稳定亮度。
  • 并联连接使用可以对应在定额大的LED。
  • 周围温度升高的话,电流值会变小,因此可以保护LED
  • 和整流二极管一起使用的话,交流电亦可使用。
  • 使用交流的情况下,周波数虽然有变化,可是亮度不会变化。
如上所述,CRD和LED有很好的匹配性,而且可以保护LED免受由于过电流,过电压的变动,周波数的变动所照成的外围破坏。 而且,它还是一个可以无视LED Vf的误差可以得到稳定亮度的零部件。

2.1 应用LED案例!

基于恒流二极管的小功率LED驱动电路设计
具体内容可通过以上网页查看。
使用阻容降压电路,在输出端正极并联多个恒流二极管.
备注:感觉是个不同恰当的用例。阻容降压本就是恒流源了,末尾增加恒流二极管的结果,可能会更稳定吧,但将本来效率不高的电路再打个折扣。
市面上,很多非常便宜的台灯小灯泡里就用的是简单粗暴的阻容降压,用个1~3年就可能坏掉,懂点的花几毛钱自己换个cbb电容,就能再用几年,这里面完全没有恒流二极管的影子。
感觉加了恒流二极管,同样的负载电流,阻容电阻的压力更大,坏的更快。

2.2 恒流二极管测量注意事项

万用表,测量工作电流,启动电压。
正向击穿电压V 需要 (兆欧表)
恒流二极管的正向击穿电压V(B0)一般为30~100V。利用兆欧表与直流电压表能够测量V(BO)值。 
具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆欧表的E、L接线柱。 然后按额定转速摇动兆欧表的手柄,使恒流二极管处于正向软击穿状态,借助于直流电压表即可读出V(BO)值。

3. 恒流二极管产品统计

3.1 current regulating diode

在 https://www.digikey.com/ 网站上搜索关键字:  current regulating diode,
找到如下类别,共计1083个产品
Discrete Semiconductor Products Categories (分立半导体产品类别) \ 
Current Regulation - Diodes, Transistors (电流调节 – 二极管、晶体管)
Download Results \ First 500 Results  找到的产品列表,支持导出,最多一次500条。 可以使用条件筛选结果小于500,分3次导出全部。
DigiKey also makes this information available by API.  To learn more about this offering please visit the API Solutions page.
DigiKey 还通过 API 提供此信息。 要了解有关此产品的更多信息,请访问 API 解决方案页面。
DigiKey 免费提供各种 API。 以下业务功能可以通过API自动执行:
  • 搜索产品信息
  • 接收实时价格和库存信息
  • 通过报价锁定价格
  • 下订单
  • 查看订单状态和更改订单
  • 与 myLists 集成
  • 管理供应链计划

3.2 产品统计分析

分类统计:
Type item 数量 占比 分类
Mfr 制造商
/
Supplier 供应
Central Semiconductor Corp 37 3.61% Mfr 制造商
/
Supplier 供应
Diotec Semiconductor 26 2.54%
Linear Integrated Systems, Inc. 21 2.05%
MACOM Technology Solutions 8 0.78%
Microchip Technology 879 85.84%
Microsemi Corporation 1 0.10%
Semitec USA Corp 32 3.13%
Solid State Inc. 20 1.95%

Package

(包装)
Box (盒装) 11 1.07% Package
(包装)
Bulk (散装) 458 44.73%
Tape & Reel (TR) (卷带式 (TR)) 487 47.56%
(TR),Cut Tape (CT),Digi-Reel® 68 6.64%

Package
/ Case
(封装)
- 40 3.91% Package
/ Case
(封装)
Axial (轴向) 13 1.27%
2-SMD, Flat Lead (扁平引线) 16 1.56%
2-SMD, No Lead (无引线) DFN123F 17 1.66%
Die 4 0.39%
DO-204AA, DO-7, Axial 433 42.29%
DO-204AH, DO-35, Axial 33 3.22%
DO-213AA 8 0.78%
DO-213AB, MELF (Glass) 407 39.75%
DO-214AA, SMB 6 0.59%
DO-214AC, SMA 6 0.59%
SOD-123F 20 1.95%
TO-226-2, TO-92-2 (TO-226AC) 11 1.07%
TO-236-3, SC-59, SOT-23-3 10 0.98%

Qualification
(资质)
- 450 43.95% Qualification

(资质)
AEC-Q101 [Automotive (汽车)] 4 0.39%
MIL-PRF-19500/463 [Military (军事)] 570 55.66%

Type item 数量 占比 Type
Voltage -
Anode – Cathode
(Vak)(Max)

(正向击穿电压)
- 35 3.42% Voltage -
Anode – Cathode
(Vak)(Max)

(正向击穿电压)
190V 3 0.29%
100V 925 90.33%
90V 23 2.25%
80V 4 0.39%
70V 4 0.39%
60V 4 0.39%
50V 26 2.54%

Power - Max

(最大功率)
- 57 5.57% Power - Max



(最大功率)
1W 23 2.25%
780mW 11 1.07%
700mW 3 0.29%
600mW 2 0.20%
580mW 6 0.59%
500mW 851 83.11%
475mW 34 3.32%
350mW 21 2.05%
300mW 16 1.56%

Regulator Current
(Max)
≤ 5.17mA 916 89.45% Regulator Current
(Max)
≥ 5.17mA 108 10.55%

Voltage – Limiting
(Max) 起始电压
1~3v 935 91.31% Voltage – Limiting
(Max) 起始电压
others 89 8.69%
参数分布:

3.3 主流产品

根据以上统计结构,可获得截止2024年3月,市面上的主流CRD关键参数区间:
名称 数值或区间 数量 占比
Voltage - Anode - Cathode (Vak)(Max) = 100V 925 90.33%
Power - Max = 500mW 851 83.11%
Regulator Current (Max) {区间} ≤ 5.17mA 916 89.45%
Voltage - Limiting (Max) 起始电压 {区间} 1v ≤ Vlimiting ≤ 3V 935 91.31%
同时加入以上4个条件,还有814个产品,约80%的产品。 包含以上4个条件 814 79.49%
参数分布(抛去种类数量小于3的产品):

3.4 更多产品来源

所有产品 \ 半导体 \ 分立半导体 \ 二极管与整流器 \ 稳流二极管 All Products \ Semiconductors \ Discrete Semiconductors \ Diodes & Rectifiers \ Current Regulator Diodes
Results: 921
这里找到了921个产品,但每次只能导出20条。有兴趣可以自己去网上查询看看。

2024-03-17

LED

1. LED百年简史
2. Haitz's law
3. 光半导体的类型
4. LED的发光原理
	4.1 LED的波长范围与材料
	4.2 可见光谱
	4.3 LED颜色波长与材料表
5. LED指示灯串联电阻计算
6. LED照明灯恒流电源
7. 恒流二极管

 LED
发光二极管(英语:light-emitting diode,LED)是一种半导体光源,当电流通过它时会发光; 即一种电致发光的半导体电子器件,其内电子与电子空穴复合,以光子的形式释放能量。
发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。

1. LED百年简史

LED century history
1907年。 电致发光现象是由英国马可尼实验室的实验员HJ Round于 1907 年使用碳化硅晶体和猫须探测器发现的。
之后陆续发现了硫化锌(ZnS),碳化硼,锑化镓(GaSb)、GaAs、铟等的发光现象。 半个世纪后才进入商业用途。

Year 单位或人员及(材料) 特点 60年代。进入商业化用途。
1962 通用电气Biard; Pittman. (GaAs) 890 nm红光 GaAs 红外光专利 -发光二极管(美国专利US3293513),第一个实用的LED。可发出 890 nm 的光输出
1969 HP (GaAsP) LED显示屏 HP Model 5082-7000数字指示器,(集成LED电路设备)。取代了数码管,成为后来LED显示屏的基础。

Year 单位或人员及(材料) 特点 70年代。此时的LED单价已从1968年每单位200美元降到$0.05。
1972 M. George Craford 黄色 LED 发明了第一个黄色 LED,并将红色和红橙色 LED 的亮度提高了十倍。
1972 Herb Maruska;
Wally Rhines (GaN)
蓝色 LED 镁掺杂氮化镓的蓝紫色 LED 。
1989 Cree (SiC) 效率为 3% 1989 年 8 月,Cree推出了首款基于间接带隙半导体碳化硅 (SiC)的商用蓝色 LED 。 SiC LED 的效率非常低,不超过约 0.03%,但确实发射可见光谱的蓝色部分。
1993 日亚化学中村修二 (GaN) 效率为 10% 当时一般的LED工作功率都小于30-60 mW(毫瓦)。
1999
1W 输入功率达1W(瓦)的发光二极管商品化。
2002
22 lm/W 5W的发光二极管的出现,而其效率大约是每瓦18-22 lm(流明)。
2003 Cree, Inc. 65 lm/W 新款的蓝光发光二极管,在20 mW下效率达35%。达65 lm/W(流明每瓦)的白光发光二极管商品,这是当时市场上最亮的白光发光二极管。

Year 单位或人员 特点 21世纪。快速广泛的普及到千家万户…
2010 Philips Lumileds 208 lm/W 白色LED在受控的实验室环境内,以标准测试条件及以350 mA电流推动下得出208 lm/W,
2012 科锐(Cree) 254 lm/W 推出254 lm/W光效再度刷新功率。
2014
303 lm/W 303 流明 (lm/W). 可持续使用长达 100,000 小时。
2017 飞利浦 200 lm/W 200 lm/W 的消费类 LED

2. Haitz's law

海兹定律是对发光二极管(LED)多年来稳步改进的观察和预测。
它声称,对于给定的光波长(颜色), 每十年,每流明(发出的有用光的单位)成本会下降 10 倍, 而每个 LED 封装产生的光量会增加 20 倍。
它被认为是摩尔定律的LED 对应物,摩尔定律指出,给定集成电路中的晶体管数量每 18 到 24 个月就会增加一倍。 这两个定律都依赖于半导体器件生产的工艺优化。

海茨定律以Roland Haitz(1935-2015)的名字命名,是安捷伦科技公司的一位科学家。 它在 Strategies in Light 2000 上首次向广大公众展示,这是 Strategies Unlimited 组织的一系列年度会议中的第一个。 除了预测每流明的成本和每封装的光量呈指数级增长外,该出版物还预测基于LED的照明的光效将在2020年达到200 lm/W(流明每瓦),突破100 lm /W 于 2010 年。 2017 年,飞利浦照明开始使用 LED 灯丝技术在迪拜提供光效为 200 lm/W 的消费类 LED 灯,比海茨定律预测的时间早了三年。

截断黑体白光源(色温为 5800K,波长限制在 400nm 至 700nm 之间的可见光波段)的理论最大值为 251 lm/W。 然而,一些“白色”LED 的光效已超过 300 lm/W。

3. 光半导体的类型

原文可下载pdf: 
光半导体的类型如下:
  • 发光器件: 可见光LED、红外LED、紫外LED、激光二极管
  • 受光器件: 光传感器(Photodiode)、太阳能电池、CMOS传感器
  • 复合器件: (发光与受光的组合元件) 光耦(Photocouplers)、光纤耦合器(Fiber couplers)

4. LED的发光原理

发光二极管(LED)的发光原理是向化合物半导体的pn结施加正向电流。
当正向电流通过发光二极管时,载流子(电子和空穴)移动。 p型区的空穴向n型区移动,n型区的电子向p型区移动。 注入的载流子重组,重组前后的能量差将以光的形式释放出来。 发射光取决于化合物半导体的能隙(Eg)。
(备注:传统的硅二极管不发光,因为重组能量变成了热能。)

4.1 LED的波长范围与材料

LED发射不同波长的紫外光乃至红外光。发射波长将通过下面采用化合物半导体材料能隙(Eg)的等式进行表示。
λ(nm)=1240/Eg(eV)
具有较大能隙的材料发射较短的波长,具有较小能隙的材料发射较长的波长。
  • 对于应用于电视遥控器等的红外LED,使用GaAs(砷化镓)材料;  
  • 对于红色/绿色指示器LED,使用GaP(磷化镓)或InGaAlP(磷化铝镓铟);  
  • 对于蓝色LED,使用InGaN(氮化铟镓)或GaN(氮化镓)。

4.2 可见光谱

Visible spectrum Wavelength
波长 (nm)
Frequency
频率 (THz)
Photon energy 可见光谱 | LED
Color
Wavelength
波长 (nm)
补充
violet 380 450 670 790 2.75 3.26 purple | 紫色 370 410
blue 450 485 620 670 2.56 2.75 蓝色 | 蓝色 450 480 白光(450~465)
cyan 485 500 600 620 2.48 2.56 青色 teal | 绿色 495 530
green 500 565 530 600 2.19 2.48 绿色 | 黄绿 565 575
yellow 565 590 510 530 2.1 2.19 黄色 | 黄色 580 595
orange 590 625 480 510 1.98 2.1 橙色 | 橙色 600 610
red 625 750 400 480 1.65 1.98 红色 | 红色 615 650

波长 (nm) 频率 (THz) 光能 (eV) 颜色 |
波长 (nm)


4.3 LED颜色波长与材料表

注:这里的数值可供当前(2024)参考,不同的来源,收集到的数据都有所差异。制作工艺一直变化,产品性能也持续的加强。
Color Wavelength [nm] Voltage drop [ΔV] Semiconductor material 半导体材料 颜色
Infrared λ > 760 ΔV < 1.63 Gallium arsenide (GaAs) 砷化镓; Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) 砷化铝镓. 红外线
Red 610 < λ < 760 1.63 < ΔV < 2.03 AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP. 红色
Orange 590 < λ < 610 2.03 < ΔV < 2.10 Gallium arsenide phosphide (GaAsP) 磷化砷化镓;
Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) 磷化铝镓铟; GaP.
橙色
Yellow 570 < λ < 590 2.10 < ΔV < 2.18 GaAsP, AlGaInP, Gallium(III) phosphide (GaP) 磷化镓. 黄色
Green 500 < λ < 570 1.9 < ΔV < 4.0 AlGaInP, GaP, Aluminium gallium phosphide (AlGaP) 磷化铝镓.
Pure green: (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) 氮化镓
绿色
Blue 450 < λ < 500 2.48 < ΔV < 3.7 InGaN, Zinc selenide (ZnSe) 硒化锌.
Synthetic sapphire, Silicon carbide (SiC) as substrate with or without epitaxy,
合成蓝宝石、碳化硅 (SiC) 作为衬底(带或不带外延),
Silicon (Si) as substrate—under development (epitaxy on silicon is hard to control)
硅 (Si) 作为衬底 – 正在开发中(硅上的外延难以控制)
蓝色
Violet 400 < λ < 450 2.76 < ΔV < 4.0 Indium gallium nitride (InGaN) 氮化铟镓. 紫色
Ultraviolet λ < 400 3 < ΔV < 4.1 InGaN (385-400 nm) 氮化铟镓; Diamond (235 nm) 金刚石;
Boron nitride (215 nm) 氮化硼; Aluminium nitride (AlN) (210 nm) 氮化铝;
Aluminium gallium nitride (AlGaN) 氮化铝镓;
Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) 氮化铝镓铟—down to 210 nm
紫外线
Pink Multiple types ΔV ≈3.3 Blue with one or two phosphor layers, yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards, white with pink plastic, or white phosphors with pink pigment or dye over top.
蓝色带有一层或两层荧光粉, 黄色带有随后添加的红色,橙色或粉色荧光粉, 白色带有粉红色塑料, 或者白色荧光粉上面带有粉红色颜料或染料。
粉色
Purple Multiple types 2.48 < ΔV < 3.7 Dual blue/red LEDs, blue with red phosphor, or white with purple plastic
双蓝/红 LED, 蓝色带红色荧光粉, 或白色带紫色塑料
紫色
White Broad spectrum
广谱
2.8 < ΔV < 4.2 Cool / Pure White: Blue/UV diode with yellow phosphor
冷/纯白: 带有黄色荧光粉的蓝色/紫外二极管
Warm White: Blue diode with orange phosphor
暖白色: 带有橙色荧光粉的蓝色二极管
白色
Color GaAs AlGaAs GaAsP GaP AlGaInP AlGaP InGaN GaN ZnSe 颜色
Infrared 1 1






红外线
Red
1 1 1 1



红色
Orange

1 1 1



橙色
Yellow

1 1 1



黄色
Green


1 1 1 1 1
绿色
Blue





1
1 蓝色
Violet





1

紫色
Ultraviolet





1

紫外线


5. LED指示灯串联电阻计算

在纽扣电池供电的钥匙圈型 LED 灯中,电池本身的电阻通常是唯一的限流装置。
考虑到电源电压被二极管两端的电压降所抵消,串联电阻的值可以从欧姆定律获得,该电压降在有用电流范围内变化很小:
R=(Vpower-Vled-Vswitch)/Iled
Iled=(Vpower-Vled-Vswitch)/R

  • R 是以欧姆为单位的电阻,通常向上舍入到下一个更高的电阻值。
  • Vpower 是电源电压,单位为伏特,例如 9 伏电池。
  • Vled 是 LED 上的 LED 正向压降。(默认取2.5v即可) 通常,LED 的正向电压在 1.8 至 3.3 伏之间。它因 LED 的颜色而异。 比如红色(1.7 ~ 2.0v), 蓝色(3 ~ 3.3)。波长越短,能级越高,需要电压也越高。可参照以上表格: 4.2 可见光谱 or 4.3 LED颜色波长与材料表
  • Vswitch 是开关两端的电压降: 
    • (A) 对于无开关,使用 0 伏,
    • (B) 对于机械开关,使用 0 伏, 
    • (C) 对于BJT 晶体管,使用VCE(sat)晶体管数据表中的集电极-发射极饱和电压。
  • Iled 是所需的 LED 电流。(默认取0.001~0.005A) LED 数据表中显示了最大连续导通电流,例如大多数小型 LED 的常见电流为 20 mA (0.020A)。许多电路以低于指定最大电流的电流运行 LED,以节省电力、降低亮度或使用通用电阻值。 对于室内使用,微型表面贴装高效 LED 仅需1 mA (0.001A) 或更大的电流即可点亮 ,大多数数字逻辑输出都可以轻松提供或吸收该电流。
综上,只需要总电压(直流或交流),计算简化为: R=(U-2.5)/0.001


下表是电流1mA和5mA的LED指示灯电阻计算结果,可以按照电源电压查阅所需的限流电阻。
优先选择1mA的,即在可选范围内优选较大的电阻,电流越小,耗能越少。
后面有计算出1mA下电阻与指示灯的耗能。(P=UI, P=U2/R)
220v交流电,比如插排带led指示灯的,一年大概消耗2度电。
5v电源适配器的led指示灯及限流电阻理论上,大约需要22年才消耗1度电(不包括电源适配器,降压电路的变压器,线路板其他电子元器件的耗电)。
电压 电阻范围 (Ω) 功耗 P=UI (W) 年耗电 ?年耗费1度电 Pled%功耗占比 电阻(范围内优先选大) 电压 电阻压降 V*(200Ω~1k)
(V) R=(U-2.5)/I I=0.005~0.001 (度)
(V) R1= ~ R2=

I=0.005
I=0.001 0.005
0.001 (kw) 0.0125

U*200Ω
U*1000Ω
5 500 ~ 2500 0.025 ~ 0.005 0.0438 22.8 50.00%
5 500
2500
6 700 ~ 3500 0.030 ~ 0.006 0.0526 19.0 41.67% 750 ~ 3.5k 6 700
3500
9 1300 ~ 6500 0.045 ~ 0.009 0.0788 12.7 27.78%
9 1300
6500
10 1500 ~ 7500 0.050 ~ 0.010 0.0876 11.4 25.00%
10 1500
7500
12 1900 ~ 9500 0.060 ~ 0.012 0.1051 9.5 20.83% 2k ~ 10k 12 1900
9500
15 2500 ~ 12500 0.075 ~ 0.015 0.1314 7.6 16.67%
15 2500
12500
18 3100 ~ 15500 0.090 ~ 0.018 0.1577 6.3 13.89%
18 3100
15500
21 3700 ~ 18500 0.105 ~ 0.021 0.1840 5.4 11.90%
21 3700
18500
24 4300 ~ 21500 0.120 ~ 0.024 0.2102 4.8 10.42% 4.3k ~ 22k 24 4300
21500
36 6700 ~ 33500 0.180 ~ 0.036 0.3154 3.2 6.94%
36 6700
33500
48 9100 ~ 45500 0.240 ~ 0.048 0.4205 2.4 5.21% 10k ~ 47k 48 9100
45500
50 9500 ~ 47500 0.250 ~ 0.050 0.4380 2.3 5.00% 以上可用1/4w电阻 50 9500
47500
64 12300 ~ 61500 0.320 ~ 0.064 0.5606 1.8 3.91% 12k(1/2w) ~ 63k 64 12300
61500
72 13900 ~ 69500 0.360 ~ 0.072 0.6307 1.6 3.47% 15k(1/2) ~ 75k 72 13900
69500
100 19500 ~ 97500 0.500 ~ 0.100 0.8760 1.1 2.50% 20k(1/2w) ~ 100k 100 19500
97500
110 21500 ~ 107500 0.550 ~ 0.110 0.9636 1.0 2.27%
110 21500
107500
220 43500 ~ 217500 1.100 ~ 0.220 1.9272 0.5 1.14% 47k(1w) ~ 220k(1/4w) 220 43500
217500
380 75500 ~ 377500 1.900 ~ 0.380 3.3288 0.3 0.66% 75k(2w) ~ 380k(1w) 380 75500
377500


6. LED照明灯恒流电源

LED照明灯PWM调光
LED 的电压与电流特性与任何二极管相似。 根据肖克利二极管方程,电流近似为电压的指数函数,电压的微小变化可能会导致电流的较大变化。(Shockley diode equation or diode law) 如果电压低于或等于阈值,则没有电流流动,结果是 LED 不亮。 如果电压太高,电流将超过最大额定值,导致 LED 过热并可能损坏。
驱动器可以是恒流(CC)或恒压(CV)。constant current (CC) or constant voltage (CV) 在 CC 驱动器中,电压发生变化,而电流保持不变。 当 LED 电路的电负载未知或波动时,使用 CC 驱动器,例如,可能安装数量可变的 LED 灯具的照明电路。 随着 LED 升温,其电压降会减小(带隙减小)。这可以促使电流增加。
串联电阻是稳定 LED 电流的简单方法,但电阻会浪费能量。 有源恒流通常使用耗尽型 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)进行调节,这是最简单的限流器。 低压差(LDO) 恒流稳压器还允许 LED 总电压占电源电压的较高部分。 开关模式电源(例如降压、升压和升降压转换器)用于LED 手电筒和家用LED 灯。 功率 MOSFET通常用于开关 LED 驱动器,这是驱动高亮度 LED 的有效解决方案。 功率 集成电路(IC) 芯片广泛用于直接驱动 MOSFET,无需额外的电路。

7. 恒流二极管

https://wiki.dzsc.com/4242.html
恒流二极管(以下简称CRD, Current Regulative Diode)就好像其名字一样就算电压有变动,但是可提供固定电流的二极管。 从1V以下的底电压到100V的高电压的广范电压范围内可经常提供稳定的电流的零部件。 也就是说,就算所附加电压的变动,负载阻抗的变化,异常的电压的产生的情况下都可以提供稳定的电流给负载。 一般而言,稳定电流线路的构成是非常复杂的,它是由好几个零部件所构成的,而且,设计也不简单。 但是,只要CRD部件一个就可以很简单的实现恒流的特性。

应用于LED的CRD特性
  1. 单一个CRD就有可能点亮LED
  2. 虽然电源电压会变动,可是LED可在稳定的亮度上点亮。1V以下到100V广范围的电压都可以动作。
  3. 虽然LED的Vf有误差,可是可以得到稳定亮度。
  4. 并联连接使用可以对应在定额大的LED。
  5. 周围温度升高的话,电流值会变小,因此可以保护LED
  6. 和整流二极管一起使用的话,交流电亦可使用。
  7. 使用交流的情况下,周波数虽然有变化,可是亮度不会变化。周波数特性特好,可用到10MHz的周波数。
  8. 无共振现象,不会有信号干扰。
如上所述,CRD和LED有很好的匹配性,而且可以保护LED免受由于过电流,过电压的变动,周波数的变动所照成的外围破坏。 而且,它还是一个可以无视LED Vf的误差可以得到稳定亮度的零部件。


2023-08-21

ATX

1. ATX (Advanced Technology Extended)
2. 主板
3. 电源
	3.1 主要版本简表
	3.2 更换电源需要考虑的问题
	3.3 电源效率
	3.4 80 Plus
4. 退役的电源
	4.1 24pin主供电接口
	4.2 12v的CPU供电接口
	4.3 12v的PCI-E供电接口
	4.4 SATA电源接口
	4.5 D型大4pin接口

1. ATX (Advanced Technology Extended)

https://en.wikipedia.org/wiki/ATX
https://zh.wikipedia.org/wiki/ATX規格
ATX主板规格由英特尔公司在1995年制定。这是多年来第一次电脑机壳与主板设计的重大改变。 ATX有7条扩充槽。其他派生的主板规格(包括microATX、mini-ITX)保留ATX基本的背板设置,但主板的面积减少,扩展槽的数目也有所删减。
ATX(高级技术扩展)是多年来台式电脑外壳、主板和电源设计的首次重大改变,提高了部件的标准化和互换性。 电脑DIY,组装机市场的蓬勃发展,ATX标准功不可没。

ATX规格定义了(电脑机箱, 主板, 电源)三者的通用标准,包括
dimensions; mounting points; I/O panel; connector interfaces
尺寸; 安装点; 输入/输出面板;连接器接口

2. 主板

ATX主板标准v1.1版 (1996)
https://www.scribd.com/document/293937542/ATX-specification-Revision-1-1-February-1996
ATX主板标准v2.2版
https://web.archive.org/web/20070216095427/http://www.formfactors.org/developer/specs/atx2_2.pdf
主板规格变体
比较常见的是microATX紧凑型,ATX标准型。

详见表格

Form factor Originated Date width
(mm)
depth
(mm)
(典型用法、市场采用等)
ATX Intel 1995 305 244  
microATX Intel 1997 244 244 适合 ATX 和 EATX 机箱。
Mini-ITX VIA 2001 170 170 最初设计用于家庭影院或其他无风扇应用
Extended ATX Supermicro / Asus ? 305 330 螺丝孔与某些ATX机箱不完全兼容。专为双CPU和双槽显卡而设计。
EE-ATX Supermicro ? 347 330 增强型扩展ATX
SWTX Supermicro 2006 419 330 四处理器,不兼容 ATX 安装
FlexATX Intel 1997 229 191  
WTX Intel 1998 356 425 2008 年停产
BTX Intel 2004 325 267 2006 年取消。还有micro, nano, pico变体。通常不兼容 ATX 安装。
Mini-DTX AMD 2007 203 170  
SSI CEB SSI ? 305 267 紧凑型电子设备舱
SSI MEB SSI 2011 411 330 中档电子海湾
SSI EEB SSI ? 305 330 企业电子湾
SSI TEB SSI ? 305 267 薄型电子托架,用于机架安装,具有电路板组件高度规格
Ultra ATX Foxconn 2008 366 244 适用于多个双插槽显卡和双 CPU。
XL-ATX Gigabyte 2010 345 262  
XL-ATX MSI 2010 345 264  
XL-ATX EVGA 2009 343 262  
HPTX EVGA 2010 345 381 双处理器,12 个 RAM 插槽

 

3. 电源

ATX电源标准v2.53版
https://web.archive.org/web/20200313220428/https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/guides/power-supply-design-guide-june.pdf
ATX电源标准v3.0版
https://cdrdv2-public.intel.com/336521/336521_Rev2p01.pdf

3.1 主要版本简表

精简摘录自维基百科,详见维基百科英文页面。
https://en.wikipedia.org/wiki/ATX

Original ATX 1995 20pin >4针大D形(硬盘,CD-ROM等外设);4针软驱供电;20针主板供电。
12V仅用于风扇和外设(HDD,CD-ROM等);
电源的大部分功率通过5V和3.3V提供(CPU,RAM,芯片组,PCI,AGP)
效能
ATX12V
V1.x
v1.0 2000 大幅增加了12v的功率, 5v和3.3v功率基本保持不变;
额外增加了4针12v连接器用于CPU供电;
68%
v1.1 2000    
v1.2 2002 用于ISA总线的(−5v)电源轨不再必须,成为可选的。  
v1.3 2003 继续增加 12 V 电源轨的功率。
引入串行 ATA 电源连接器(但定义为可选)
70%
ATX12V
v2.x
v2.0 2003 24pin 主板接口升级为24pin。串行 ATA 电源线成为必要。
现在大部分电源由 12 V 电源轨提供。3.3v和5v的功率显着降低。
70%
v2.1 2005 所有导轨的功率均略有增加。 77%
v2.2 2005 https://web.archive.org/web/20080920191034/http://www.formfactors.org/developer/specs/ATX12V_PSDG_2_2_public_br2.pdf 80%
v2.3 2007 允许 12 V 线路为每轨提供超过 20 A 的电流,240w
https://web.archive.org/web/20150114105013/http://www.formfactors.org/developer/specs/PSU_DG_rev_1_1.pdf
 
v2.31 2008 添加了有关气候保护的部分
https://web.archive.org/web/20160414133738/http://www.formfactors.org/developer/specs/Power_Supply_Design_Guide_Desktop_Platform_Rev_1_2.pdf
 
v2.4 2013 https://web.archive.org/web/20170718011357/https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/guides/power-supply-design-guide.pdf  
v2.51 2017 引入了对替代睡眠模式 (ASM) 的支持,取代了传统的S3 电源状态,  
v2.52 2018 要求电源制造商确保支持替代睡眠模式 (ASM) 的电源能够承受每 180 秒一次的电源循环(每天 480 次)或每年 175,200)。还建议电源风扇至少延迟两秒打开,以改善用户体验。
https://web.archive.org/web/20200313220428/https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/guides/power-supply-design-guide-june.pdf
 
v2.53 2020 https://web.archive.org/web/20210222203819/https://d2pgu9s4sfmw1s.cloudfront.net/UAM/Prod/Done/a062E00001XMVETQA5/b2f2f54c-e980-7c06-4032-9bd4e037c83b?Expires=1614026599&Key-Pair-Id=APKAJKRNIMMSNYXST6UA&Signature=iVsGBI7emsEdrFsQ67~1S2M90n5TYe3~QRV4TUX1VC-EseakcayGKQeIrDqA~ls21nyFEuSEcp9TwYA2uYXHQRfrjsYAhPvPaKLNivtX25XWNG2Bqr1eajUeZY6SobcaUhqU8I1coBOXz6TzmLMmgRiy4awrNQnBFtagJsJRME50wE8zd8HrBmgITOGB7dXv9IFX3YCMPpx1PXaubRAcfm9tsS71Sn6xf2n2rSizwWA-JjXuYK6sZhXKNNzn-7FtBtRJoyx~uOnWPtvxE2i-O1X1cFFpnhq3wDn1Kubh-qttzKiRYs0pnXElqDpH4i9TFOFBCR-g2dmtm6USEUgBBA__  
ATX 3.0 V3.0 2022   新型 16 针 12VHPWR 连接器,可为显卡提供高达 600 W 的功率。
https://cdrdv2-public.intel.com/336521/336521_Rev2p01.pdf
 

3.2 更换电源需要考虑的问题

https://en.wikipedia.org/wiki/ATX#Specification_changes_and_additions
尽管 ATX 电源规格大多在两种方式(电气和物理方面)垂直兼容,但将旧主板/系统与新 PSU 混合使用存在潜在问题,反之亦然。

3.2.1 需要考虑的主要问题如下:

  • 3.3 V、5 V 和 12 V 电源轨之间的电源分配在较旧和较新的 ATX PSU 设计以及较旧和较新的 PC 系统设计之间有很大不同。
  • 较旧的 PSU 可能没有较新 PC 系统正常运行所需的连接器。
  • 较新的系统通常比较旧的系统具有更高的功率要求。

3.2.2 电源与主板跨版本混用指南

  • 旧的主机,可以使用新的电源,但3.3v和5v可能会过载,新电源压缩了这部分的功率;被分配了大部分功率的12 V 电源轨大部分未使用。
  • 新的主机,总的来说不建议使用太旧版本的电源。
    •   新的主机,若是轻量文书配置,对功率要求不高,状况良好的旧电源也能使用。但要注意(1. 有些接口可以通过转接线适配,2. 旧电源效率普遍不高,就是比较耗电,转化的废热较多。
    •   新的主机,若是较高配置,则只能使用新电源了。

3.3 电源效率

电源效率是指将家庭电源转换为稳压直流电时不浪费电力的程度。
计算机电源的效率从 70% 左右到 90% 以上不等。

尽管额定功率大于所需功率的电源对于过载具有额外的安全裕度,但与尺寸更合适的装置相比,此类装置通常效率较低,并且在较低负载下浪费更多电力。
电源负载处于最大功率的(50%-75%)区间,效率最佳。
如下表的例子,若是一台长期低功耗(<100w)运行的电脑,选择500w的铜牌电源比900w的银牌电源更加省电。

      工作损耗(发热)  
电源, 负载效能要求 低功耗效能 100w 200w 500w (效能) 最佳效能区间
80 Plus Silver 900w >180w负载效能 至少85% <100w负载效能 73% 27w (73%) 30w (85%) 55w (89%) 450w – 675w
80 Plus Bronze 500w >100w负载效能 至少82% <100w负载效能 84% 16w (84%) 36w (82%) 95w (81%) 250w – 375w

3.4 80 Plus

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/80_PLUS
https://en.wikipedia.org/wiki/80_Plus
80 Plus(商标为 80 PLUS)是一项于 2004 年启动的自愿认证计划,旨在促进计算机电源装置 (PSU) 的能源高效利用。
产品在20%、50%和100%额定负载下能效超过80%,在100%负载下功率因数达到0.9或更高,即可获得认证。

80+ 认证级别
https://www.clearesult.com/80plus/

year   80 Plus test type 115 V internal
Non-redundant
230 V EU internal
Non-redundant
230 V internal
Redundant
额定负载百分比 10% 20% 50% 100% 10% 20% 50% 100% 10% 20% 50% 100%
2004 白牌 80 Plus   80% 80% 80%   82% 85% 82%        
2008 铜牌 80 Plus Bronze   82% 85% 82%   85% 88% 85%   81% 85% 81%
2008 银牌 80 Plus Silver   85% 88% 85%   87% 90% 87%   85% 89% 85%
2008 金牌 80 Plus Gold   87% 90% 87%   90% 92% 89%   88% 92% 88%
2009 白金 80 Plus Platinum   90% 92% 89%   92% 94% 90%   90% 94% 91%
2012 钛 80 Plus Titanium 90% 92% 94% 90% 90% 94% 96% 94% 90% 94% 96% 91%

计算机电源的效率是其输出功率除以输入功率;剩余的输入功率按照能量守恒的预期转化为热量。

对于给定的电源,效率根据所输送的功率而变化。

电源通常在(50%~75%负载)时效率最高,在低负载时效率较低,在最大负载时效率稍低。
较旧的 ATX 电源的效率通常为 60% 到 75%。
要获得 80 Plus 资格,电源必须在三个指定负载(最大额定功率的 20%、50% 和 100%)下实现至少 80% 的效率。
然而,80 Plus 电源在较低负载下的效率可能仍低于 80%。
例如,80 Plus、520 瓦电源在 60 瓦(台式计算机的典型闲置功率)时的效率仍可能为 70% 或更低。
因此,选择容量适合所供电设备的电源仍然很重要。

对于更高瓦数的电源更容易实现更高的效率水平,因此在典型台式机的合理容量的消费级电源中,黄金和铂金电源可能不太可用。

4. 退役的电源

电脑更新换代,旧电源状况良好的,还能怎么用?
退役的电源还可以当开关电源使用,输出5v,12v直流电。
需要了解如何手动开关电源,还有主要的输出电源线
绿色启动电源线;黑色接地; 红色5v电源线;黄色12v电源线;橘色3.3v电源线

4.1 24pin主供电接口

  Color Signal Pin Pin Signal Color  
ff8000 Orange +3.3 V [1] (13] '+3.3 V Orange ff8000
ff8000 Orange +3.3 V (2] [14] −12 V Blue 0000ff
000000 Black Ground (3] [15] Ground Black 000000
ff0000 Red +5 V [4] (16] Power on Green 00ff00
000000 Black Ground [5] (17] Ground Black 000000
ff0000 Red +5 V (6] [18] Ground Black 000000
000000 Black Ground (7] [19] Ground Black 000000
808080 Grey Power ok [8] (20] Reserved None ffffff
A020F0 Purple +5 V 待机 [9] (21] +5 V Red ff0000
ffff00 Yellow +12 V (10] [22] +5 V Red ff0000
ffff00 Yellow +12 V (11] [23] +5 V Red ff0000
ff8000 Orange +3.3 V [12] (24] Ground Black 000000
  1. (pin8,13,16)是控制信号。
  2. 最下面4个pin仅存在于 24 针连接器中的针脚。
  3. 在 20 针连接器中,针脚 13-22 分别编号为 11-20。
  4. (pin13)针脚提供 +3.3 V 电源,还有第二条(Brown)低电流电线用于远程传感。
  5. (pin16)绿色的+5V开机线,接地则启动电源,断开则电源断电。
  6. (pin8)灰色电源状态信号,当其他输出尚未达到或即将离开正确电压时,控制信号为低电平。
  7. (pin20)以前为-5v(白线),新电源中不存在; 它在ATXv1.2中降为可选的,从 v1.3 开始被删除。
  8. (pin9)紫色待机5v供电,即使电源关闭,也有5v电信号,这可用于为控制开机信号的电路供电。
  9. 表格中(Pin)列内的括号表示防呆接口的形状,方括号表示正方形[x],圆括号表示D形接口(x]。
  10. 这个图表的角度看24pin接口的卡扣在右边。 
ATX v2.x版本的24pin 和 ATX v1.x版本的20pin

4.2 12v的CPU供电接口

4pin,4+4pin或8pin接口,比较好辨认, (靠近卡扣的一边,都是12v的黄色线;另外一边全是黑色的GND接地)

4.3 12v的PCI-E供电接口

6pin,6+2pin,双6pin等
靠近卡扣的是黑色接地雨感应线,另外一边黄色的是12v电信号

4.4 SATA电源接口

而 SATA 电源接口则是目前 SATA 硬盘包括 HDD 机械硬盘以及 SSD固态硬盘的主要供电来源,起可以提供+12V、+5V 和+3.3V 供电,每组电压对应 3 针,共 15 针。
每个端子可以传输的电流为 1.5A,所以 12V、5V 和 3.3V 各可以传输的电流都为 4.5A,功率分别为 54W、22.5W 和 14.85W。
由于大部分的 SATA 设备都可以在没有+3.3V 供电的情况下正常工作,因此如果玩家确实需要大量的 SATA 电源接口但电源本身提供的数量有所不足,那就可以使用转接线从 D 型 4Pin 接口转接扩充。

4.5 D型大4pin接口

12v黄,中间2个黑色接地,5v红色。
旧电源有这个几口,用于HDD,光驱,风扇等。2.0开始逐渐被STAT取代。现在新的电源已经见不到这种接口了。


AC-power

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