LED照明與應用

2009年12月燈與照明第33卷第4期8LED研究LED照明與應用路秋生(北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,北京10050摘要:該文從LED的有關(guān)發(fā)光原理、特點(diǎn)、LED的驅動(dòng)、LED的調光控制和LED的世界新產(chǎn)品推出與性能改進(jìn)等方面進(jìn)行了討論,由于LED照明技術(shù)的一系列優(yōu)點(diǎn),LED照明進(jìn)展非?？?LED照明有很好的應用前景。關(guān)鍵詞:LED;發(fā)光效率;驅動(dòng);調光LED Lighting and Its ApplicationLu QiushengBeijing Electronic Information College, Beiing 100050)Abstract: This paper discussed LED from the LED's working function, property, LEDs drive, LEDsdimming, LEDs new products and LED's working property improvement etc aspects, LED lighting hasmany advantages, LED lighting has bright application future.Keywords: LED; lighting efficiency; driver; dimm簡(jiǎn)介2LED的發(fā)光原理1963年2月,LED的發(fā)明者N. HOLONYAK在LED的發(fā)光原理就是將電能轉換為光的過(guò)程將《讀者文摘》(美)上發(fā)表了“我們堅信LED會(huì )發(fā)展成電流通過(guò)化合物半導體,通過(guò)電子與空穴的結合,過(guò)實(shí)用的白色光源”一文,并作了明確的預言:“將來(lái)的剩的能量將以光的形式釋出,達到發(fā)光的效果。通過(guò)燈可以是鉛筆尖大小的一塊合金,它實(shí)用且不易破ED的正向電流越大則LED的發(fā)光亮度越高,同時(shí),碎決不燒毀,比起今天通用的燈泡來(lái)說(shuō),其轉換效率通過(guò)LED電流的穩定性將影響LED的發(fā)光穩定性。至少大10倍?！币虼?在實(shí)用屮應釆用可以提供精確穩定電流的LEDN. HOLONYAK在2000年在美國物理學(xué)會(huì )會(huì )刊驅動(dòng)恒流源。上以“發(fā)光二極管是燈的終結嗎?為題發(fā)表文章,其結論是“原則上發(fā)光二極管是燈的最終形式實(shí)際上3LED照明的優(yōu)點(diǎn)也是如此,它的發(fā)展確實(shí)能夠而且將持續到所有功率由于LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長(cháng)、耐用、采和顏色都實(shí)現為止,了解這一點(diǎn)極為重要”。用低電壓和低電流驅動(dòng)、工作安全可靠、節能省電、環(huán)LED照明技術(shù)飛速發(fā)展,在照明領(lǐng)域得到了廣泛保、防震、防水、體積小、光控制方便,發(fā)光色彩豐富、的應用。下面對IED的有關(guān)發(fā)光原理、特點(diǎn)、LED的色域寬、光束集中,響應速度快,可以智能化、網(wǎng)絡(luò )化驅動(dòng)、LED的調光控制和世界LED的新產(chǎn)品推出與控制與調節的一系列優(yōu)點(diǎn),這是以往任何光源無(wú)法比性能改進(jìn)等方面加以討論。擬中國煤化工命長(cháng)免維護易控制、CNMHG收稿日期:200909-10作者簡(jiǎn)介:路秋生(1956-),工學(xué)碩土,教授,主要從事電子技術(shù)電力電子技術(shù)的教學(xué)、科研工作。2009年12月燈與照明第33卷第4期環(huán)保等特點(diǎn)已成為各國照明產(chǎn)品的積極發(fā)展方向。H低壓鈉燈LED照明的優(yōu)點(diǎn)不僅體現在發(fā)光質(zhì)量方面,在其生產(chǎn)、制造易用性方面都要大大超越白熾燈熒光燈m高壓鈉燈等傳統電光源因此自60年代LED誕生以來(lái)得到了B金鹵燈R高高達95長(cháng)足的發(fā)展和應用,LED照明的優(yōu)點(diǎn)主要體現在以下HD秉CRI高達60幾個(gè)方面。(1)LED的響應非?？祉憫獣r(shí)間在微秒級;cR高達95(2)LED在生產(chǎn)過(guò)程中不需要添加“汞”,環(huán)保性直官熒光燈CR高達98能好;高達85(3)LED的發(fā)光指向性非常強,亮度衰減比傳統光源低很多感燈(4)LED的體積可以做得非常小,便于各種設備白熾燈CRI高達100的布置和設計20406080100120140160180200(5)LED使用低壓直流電就可以驅動(dòng),對使用條燈發(fā)光效率(1/件要求較低;圖1各種常用電光源的性能對比(6)LED發(fā)出的光線(xiàn)能量集中度很高純度高,發(fā)出的光線(xiàn)集中在較小的波長(cháng)窗口內燈發(fā)光效率的進(jìn)(7)LED元件的使用壽命長(cháng),一般在5萬(wàn)~10萬(wàn)長(cháng)壓鈉燈h之間,即使是頻繁的開(kāi)關(guān),也不會(huì )影響LED的使用壽命;高壓鈉燈(8)LED在結構上沒(méi)有玻璃外殼,不需要像白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內抽成真空或沖入特定氣金怒燈體,因此LED的抗震抗沖擊性能良好,給LED的生產(chǎn)、運輸使用各個(gè)環(huán)節帶來(lái)了便利。LFD在以下領(lǐng)域得到了廣泛的應用。高壓秉燈(1)汽車(chē)照明(車(chē)內、車(chē)外);(2)商用照明鹵銘燈(3)LCD背光照明;4)光傳感器;0002005(5)便攜式電子設備;(6)居室照圖2各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比(7)信號燈照明;(8)標識照明等。(3)世界上有關(guān)國家關(guān)于白熾燈的禁用時(shí)間表由于白熾燈的發(fā)光效率很低(在1m/W左右4有關(guān)照明電光源的數據所以世界上有關(guān)國家給出了白熾燈的禁用時(shí)間表以(1)各種常用電光源的性能對比采用發(fā)光效率更高的電光源(例如LED鹵鎢燈低壓各種常用電光源的性能對比(資料來(lái)源于200.0鈉燈和高壓鈉燈等),世界上有關(guān)國家白熾燈的禁用APFC-SP14 Datapoint Research)如圖1所示。時(shí)間表如圖3所示(資料來(lái)源于200APFC-SP1.4然而,從商用可用性的角度而言固態(tài)照明(Ss) atapoint Research)。LED將會(huì )成為發(fā)光效率最高的照明光源,LED照明的5IE的嚇動(dòng)要成嘔動(dòng)方式和驅?xiě)们熬翱春?。中國煤化?2)各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比CNMHG各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比(資料來(lái)源于(1)LED的驅動(dòng)方式2009- APFC-SP14 Datapoint Research)如圖2所示。目前LED均采用直流電驅動(dòng),因此在市電與LED2009年12月燈與照明第33卷第4期①在確定恒電壓電路各項參數后,恒電壓電路輸出固定的直流電壓,輸出的直流電流隨LED負載的變要內璃拉化而變化②恒電壓電路雖然不怕負載開(kāi)路,但是嚴禁負載阿根廷完全短路梁巒堊③幣流輸出的電壓變化會(huì )影響LED的發(fā)光亮度;④要使每串并聯(lián)以恒電壓電路驅動(dòng)LED串發(fā)光寬大利亮度均勻需加合適的電阻菲賓(2)LED的驅動(dòng)要求在選擇和設計LED驅動(dòng)電源時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)。北愛(ài)爾1)LED驅動(dòng)電源要符合安全規范和電磁兼容的有關(guān)要求。加拿大2)驅動(dòng)電源的工作壽命要與LED的使用壽命相適配。3)防護功能:對外安裝型燈具,LED驅動(dòng)電源結頁(yè)員晨頁(yè)園最晨員構要防水、防潮,燈具外殼要耐曬。4)高工作可靠性:特別是LED路燈的驅動(dòng)電源安裝在高空,維修不方便維修的花費大。圖3世界上有關(guān)國家自熾燈的禁用時(shí)間表5)保護功能:電源除了常規的保護功能外,如在之間需要加一個(gè)LED驅動(dòng)電源適配器。LED驅動(dòng)電源恒電流輸出中增加LED溫度負反饋防止LED的工適配器的功能是把交流電轉換成適合LED驅動(dòng)的直流作溫度過(guò)高,對延長(cháng)LED的使用壽命有利電?，F在常用的LED驅動(dòng)電源有兩種:一是恒電流驅6)浪涌保護:LED抗浪涌的能力是比較差的,特動(dòng)電路,二是恒電壓驅動(dòng)電路。下畝分別加以介紹。別是抗反向電壓能力。加強這方面的保護也很重要1)恒電流驅動(dòng)電路有些LED燈裝在戶(hù)外,如LED路燈。由于電網(wǎng)負載在恒電流驅動(dòng)工作方式下,又有兩種驅動(dòng)工作方的啟/停和雷擊的感應,會(huì )從電網(wǎng)系統侵入各種電浪式,一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒電流源,每個(gè)恒電流涌,有些電浪涌會(huì )導致LED的損壞。因此LED驅動(dòng)電源要有抑制電浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力源單獨給每路LED供電。這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會(huì )略高一7)高功率因數:功率因數是電網(wǎng)對負載的要求一般對70W以下的用電器沒(méi)有強制性指標要求。雖點(diǎn)。另一種是直接由恒電流源供電,LED串聯(lián)或并聯(lián)然功率不大的單個(gè)LED驅動(dòng)電源功率因數低一些對運行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn),但靈活性差,還要解電網(wǎng)的影響不大,但晚上大家都點(diǎn)燈,同類(lèi)負載非常決某個(gè)LED故障,不影響其他LED運行的問(wèn)題。這集中,會(huì )對電網(wǎng)產(chǎn)較嚴重的污染。據報道,對30W兩種LED驅動(dòng)電源形式在一段時(shí)間內會(huì )并存。LED40W的LED驅動(dòng)電源,不久的將來(lái)也許會(huì )對功率的多路恒電流輸出供電方式在成本和性能方面會(huì )好因數方面有一定的指標要求。些,LED采用恒電流驅動(dòng)具有以下特點(diǎn)。8)高工作效率:LED是節能產(chǎn)品,LED驅動(dòng)電源①利用恒電流驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)LED是很理想的,的工作效率要高。對于LED驅動(dòng)電源安裝在燈具內缺點(diǎn)就是價(jià)格較高的結構,尤為重要。因為L(cháng)ED的發(fā)光效率隨著(zhù)LED②恒電流驅動(dòng)電路雖然不怕負載短路但是嚴禁工作溫度的升高而下降,所以L(fǎng)ED的散熱非常重要。負載完全開(kāi)路LED驅動(dòng)電源的工作效率高,它的功率損耗就小,在③恒電流驅動(dòng)電路的輸出電流是恒定的,而輸出燈具內的發(fā)熱量就小,也就相應降低了燈具的溫升,直流電壓卻隨著(zhù)LED負載的大小不同在一定范圍內延紹IFD的光意右科變化;中國煤化工結構劃分④要限制LED的使用數量,因為它有最大承受電CNMHG以大致分為以下幾類(lèi)流及電壓值的問(wèn)題1)常規變壓器降壓2)恒電壓驅動(dòng)電路這種電源的不足之處是重量偏重、體積較大,電2009車(chē)12月燈與照明第33卷第4期源工作效率很低,一般在4%~60%,因為工作可靠性不高,所以一般很少使用7LED的調光控制2)電子變壓器降壓LED有兩種常用的調光控制方法,第一種LED這種電源結構不足之處是轉換效率低適應電壓調光控制方法就是釆用模擬調光控制方法,在模擬調范圍窄,一般在180~240V,波紋干擾大。光控制下,通過(guò)調節LED的正向工作電流來(lái)實(shí)現LED3)電容器降壓的調光控制,調光控制范圍可達10:1。這種方式的LED驅動(dòng)電源容易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)如果要進(jìn)一步降低LED的正向工作電流則會(huì )產(chǎn)的影響,電源工作效率低,不宜在LED發(fā)光閃動(dòng)時(shí)使生LED發(fā)光顏色發(fā)生變化和不能準確調節控制LED用因為L(cháng)ED驅動(dòng)電路通過(guò)電容器降壓,在LED發(fā)光正向電流的問(wèn)題。閃動(dòng)使用時(shí),由于電容器的充放電作用,通過(guò)LED的第二種LED調光控制方法就是采用數字或稱(chēng)為瞬間電流很大,容易損壞LED驅動(dòng)控制芯片。PWM的調光控制法,PWM調光控制法以大于100Hz4)電阻降壓的開(kāi)關(guān)工作頻率,以脈寬調制的方法改變LED驅動(dòng)電這種供電方式電源工作效率很低并且工作可靠流的脈沖占空比來(lái)實(shí)現LED的調光控制選用大于性也很低因為電路通過(guò)電阻降壓,受電網(wǎng)電壓變化100Hz開(kāi)關(guān)調光控制頻率主要是為了避免人眼感覺(jué)的干擾較大LED的工作電流受電網(wǎng)電壓變化的影響到調光閃爍現象,在LED的PwM調光控制下,LED較大。并且降壓電阻本身還要消耗很大部分的功率o的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比,在這種調光S)RCC降壓式開(kāi)關(guān)電源控制方法下可以在高調光比范圍內保持LED的發(fā)光這種方式的LED驅動(dòng)電源優(yōu)點(diǎn)是穩壓范圍比較顏色不變,采用PWM的LED調光控制的調光比范圍寬電源工作效率比較高,一般可在70%~80%,應用可達3001。較廣。缺點(diǎn)主要是開(kāi)關(guān)頻率不易控制,負載電壓波紋系數較大,異常情況負載適應性差。8世界LED的新產(chǎn)品推出與性能6)PWM控制式開(kāi)關(guān)電源改進(jìn)就目前而言,PWM控制方式設計的LED驅動(dòng)電源比較理想,因為這種開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流都LED的新產(chǎn)品不斷推出,2007年1月飛利浦的很穩定。電源轉換工作效率高,一般可以高達80%~ Lumileds宣布推出350mA,發(fā)光效率為115lm/W的90%,并且輸出電壓和輸出電流都十分穩定。這種方LED產(chǎn)品;韓國首爾半導體生產(chǎn)商( Seoul Semiconduc式的LED驅動(dòng)電源主要由四部分組成。它們分別是:0200年12月推出發(fā)光效率為100lm/W的世界主輸入整流濾波部分輸出整流濾波部分、PWM穩壓上最亮的240m單顆LED(如圖4所示);日本日亞控制部分開(kāi)關(guān)變換部分。并且這種LED驅動(dòng)電路可公司200年8月推出LED的發(fā)光效率為92lm/W,以添加完善的保護措施,工作可靠性高工作電流為350mA;美國GREE公司2006年8月推出160lm的白光LED,發(fā)光效率為85lm/W(如圖56對LED驅動(dòng)IC的需求所示)。利用LED做的臺燈如圖6所示。按應用來(lái)劃分,LED的驅動(dòng)IC市場(chǎng)有三大類(lèi),分別是消費類(lèi)電子產(chǎn)品、車(chē)用照明、建筑裝飾與家用照明。消費類(lèi)電子產(chǎn)品的應用特點(diǎn)是以電池為能源,電壓一般為4.2~84V,因此低電壓、小電流的LED驅動(dòng)IC最符合需求,并且是應用量大,應用面廣的產(chǎn)品。在車(chē)用照明產(chǎn)品方面,由于供電電源來(lái)自于汽車(chē)Seoul semiconductor電池,一般為48V,所以需要較高電壓降壓的LED驅圖4韓國首爾半導體生產(chǎn)的單顆LED動(dòng)IC。至于建筑裝飾照明和家庭照明,則需要將AC電源直接轉換成DC電源的LED驅動(dòng)IC,也就是將交中國煤化工圖7所示(資料來(lái)源流電轉換為直流電源并同時(shí)完成與LED電壓及電流ENECNMHGLighting Stakeholder的匹配。因此,不同應用場(chǎng)合的LED驅動(dòng)C也將有 Meeting, Februar8,200,參見(jiàn)參考資料1)所不同。世界有關(guān)熒光燈、LED、OLED實(shí)驗室和商用白光27:2009車(chē)12月燈與照明第33卷第4期0752010Cree inc圖5美國GREE公司生產(chǎn)的單顆LED圖8世界有關(guān)照明器件發(fā)光效率研發(fā)進(jìn)展的曲線(xiàn)System Efficacy Vs Luminaire EfficacyLASrs圖6LED臺燈圖9關(guān)于LED燈、LED燈具和CFL燈、CFL燈具的實(shí)測發(fā)光效率對比9小結通過(guò)以上的討論和分析可以看出(如圖2所示的關(guān)于各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比曲線(xiàn)),在目前我們所用的各類(lèi)電光源中,LED不是發(fā)光效率最高的電光源,但是,LED電光源發(fā)光效率的提升速度非?？?LED的推廣應用和LED的封裝、散熱、LED燈具的具體制作(如圖9所示)等方面都有很大的關(guān)系,但是隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步,DED照明具有很好的應用前景。參考文獻:圖7世界白光LED的發(fā)展進(jìn)程LED的發(fā)光效率研發(fā)進(jìn)展的曲線(xiàn)如圖8所示(資料來(lái)[1] James R. Brodrick,Ph.D. ENERGY STAR·slidState Lighting Stakeholder Meeting US Department of Ener-R ENERGY STAR (R Solid-State Lighting Stakeholdergy Office of Energy Efficiency and Renewable EnergyMeeting, February8,2007,參見(jiàn)參考資料1)。Program February 8, 2007關(guān)于LED燈、LED燈具和CFL燈、CFL燈具的實(shí)[2] Marc Ledbetter ENERGY STAR SSl: Introduction and Ap-測發(fā)光效率對比如圖9所示(資料來(lái)源 ENERGYh Pacific Northwest National Laboratory ENERGYSTAR SSL Stakeholders Meeting February 8, 2007,n中國煤化工 February8,2007參考資料2)。CNMHG[4]Senior Analyst, Datapoint Research Ltd. Theglobal lighting revolution- Market Forecasts for LampsBallasts, Semiconductors APEC SP1. 4. 2009