2009年12月燈與照明第33卷第4期8LED研究LED照明與應(yīng)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(qū)動(dòng)、LED的調(diào)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(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:LED;發(fā)光效率;驅(qū)動(dòng);調(diào)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(zhuǎn)換為光的過(guò)程將《讀者文摘》(美)上發(fā)表了“我們堅(jiān)信LED會(huì)發(fā)展成電流通過(guò)化合物半導(dǎo)體,通過(guò)電子與空穴的結(jié)合,過(guò)實(shí)用的白色光源”一文,并作了明確的預(yù)言:“將來(lái)的剩的能量將以光的形式釋出,達(dá)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(zhuǎn)換效率通過(guò)LED電流的穩(wěn)定性將影響LED的發(fā)光穩(wěn)定性。至少大10倍?！币虼?在實(shí)用屮應(yīng)釆用可以提供精確穩(wěn)定電流的LEDN. HOLONYAK在2000年在美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)刊驅(qū)動(dòng)恒流源。上以“發(fā)光二極管是燈的終結(jié)嗎?為題發(fā)表文章,其結(jié)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(xù)到所有功率由于LED具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、耐用、采和顏色都實(shí)現(xiàn)為止,了解這一點(diǎn)極為重要”。用低電壓和低電流驅(qū)動(dòng)、工作安全可靠、節(jié)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(yīng)用。下面對(duì)IED的有關(guān)發(fā)光原理、特點(diǎn)、LED的色域?qū)?、光束集?響應(yīng)速度快,可以智能化、網(wǎng)絡(luò)化驅(qū)動(dòng)、LED的調(diào)光控制和世界LED的新產(chǎn)品推出與控制與調(diào)節(jié)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(guó)煤化工命長(zhǎng)免維護(hù)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(guó)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(xiàn)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(tǒng)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(dá)95長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用,LED照明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下HD秉CRI高達(dá)60幾個(gè)方面。(1)LED的響應(yīng)非?？祉憫?yīng)時(shí)間在微秒級(jí);cR高達(dá)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(dá)98能好;高達(dá)85(3)LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng),亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多感燈(4)LED的體積可以做得非常小,便于各種設(shè)備白熾燈CRI高達(dá)100的布置和設(shè)計(jì)20406080100120140160180200(5)LED使用低壓直流電就可以驅(qū)動(dòng),對(duì)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(duì)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(zhǎng)窗口內(nèi)燈發(fā)光效率的進(jìn)(7)LED元件的使用壽命長(zhǎng),一般在5萬(wàn)~10萬(wàn)長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(yùn)輸使用各個(gè)環(huán)節(jié)帶來(lái)了便利。LFD在以下領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。高壓秉燈(1)汽車(chē)照明(車(chē)內(nèi)、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(shè)備;(6)居室照?qǐng)D2各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對(duì)比(7)信號(hào)燈照明;(8)標(biāo)識(shí)照明等。(3)世界上有關(guān)國(guó)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(shù)據(jù)所以世界上有關(guān)國(guó)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(duì)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(duì)比(資料來(lái)源于200.0鈉燈和高壓鈉燈等),世界上有關(guān)國(guó)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(qū)應(yīng)用前景看好。中國(guó)煤化工(2)各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對(duì)比CNMHG各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對(duì)比(資料來(lái)源于(1)LED的驅(qū)動(dòng)方式2009- APFC-SP14 Datapoint Research)如圖2所示。目前LED均采用直流電驅(qū)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(xiàng)參數(shù)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(fù)載的變要內(nèi)璃拉化而變化②恒電壓電路雖然不怕負(fù)載開(kāi)路,但是嚴(yán)禁負(fù)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(qū)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(qū)動(dòng)要求在選擇和設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電源時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)。北愛(ài)爾1)LED驅(qū)動(dòng)電源要符合安全規(guī)范和電磁兼容的有關(guān)要求。加拿大2)驅(qū)動(dòng)電源的工作壽命要與LED的使用壽命相適配。3)防護(hù)功能:對(duì)外安裝型燈具,LED驅(qū)動(dòng)電源結(jié)頁(yè)員晨頁(yè)園最晨員構(gòu)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(qū)動(dòng)電源安裝在高空,維修不方便維修的花費(fèi)大。圖3世界上有關(guān)國(guó)家自熾燈的禁用時(shí)間表5)保護(hù)功能:電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外,如在之間需要加一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電源適配器。LED驅(qū)動(dòng)電源恒電流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋防止LED的工適配器的功能是把交流電轉(zhuǎn)換成適合LED驅(qū)動(dòng)的直流作溫度過(guò)高,對(duì)延長(zhǎng)LED的使用壽命有利電。現(xiàn)在常用的LED驅(qū)動(dòng)電源有兩種:一是恒電流驅(qū)6)浪涌保護(hù):LED抗浪涌的能力是比較差的,特動(dòng)電路,二是恒電壓驅(qū)動(dòng)電路。下畝分別加以介紹。別是抗反向電壓能力。加強(qiáng)這方面的保護(hù)也很重要1)恒電流驅(qū)動(dòng)電路有些LED燈裝在戶(hù)外,如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載在恒電流驅(qū)動(dòng)工作方式下,又有兩種驅(qū)動(dòng)工作方的啟/停和雷擊的感應(yīng),會(huì)從電網(wǎng)系統(tǒng)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(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制電浪涌的侵入,保護(hù)LED不被損壞的能力源單獨(dú)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(shù):功率因數(shù)是電網(wǎng)對(duì)負(fù)載的要求一般對(duì)70W以下的用電器沒(méi)有強(qiáng)制性指標(biāo)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(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)低一些對(duì)運(yùn)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(fù)載非常決某個(gè)LED故障,不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。這集中,會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)較嚴(yán)重的污染。據(jù)報(bào)道,對(duì)30W兩種LED驅(qū)動(dòng)電源形式在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)并存。LED40W的LED驅(qū)動(dòng)電源,不久的將來(lái)也許會(huì)對(duì)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(shù)方面有一定的指標(biāo)要求。些,LED采用恒電流驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)。8)高工作效率:LED是節(jié)能產(chǎn)品,LED驅(qū)動(dòng)電源①利用恒電流驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED是很理想的,的工作效率要高。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)電源安裝在燈具內(nèi)缺點(diǎn)就是價(jià)格較高的結(jié)構(gòu),尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率隨著LED②恒電流驅(qū)動(dòng)電路雖然不怕負(fù)載短路但是嚴(yán)禁工作溫度的升高而下降,所以L(fǎng)ED的散熱非常重要。負(fù)載完全開(kāi)路LED驅(qū)動(dòng)電源的工作效率高,它的功率損耗就小,在③恒電流驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流是恒定的,而輸出燈具內(nèi)的發(fā)熱量就小,也就相應(yīng)降低了燈具的溫升,直流電壓卻隨著LED負(fù)載的大小不同在一定范圍內(nèi)延紹IFD的光意右科變化;中國(guó)煤化工結(jié)構(gòu)劃分④要限制LED的使用數(shù)量,因?yàn)樗凶畲蟪惺茈奀NMHG以大致分為以下幾類(lèi)流及電壓值的問(wèn)題1)常規(guī)變壓器降壓2)恒電壓驅(qū)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?yàn)楣ぷ骺煽啃圆桓?所以一般很少使用7LED的調(diào)光控制2)電子變壓器降壓LED有兩種常用的調(diào)光控制方法,第一種LED這種電源結(jié)構(gòu)不足之處是轉(zhuǎn)換效率低適應(yīng)電壓調(diào)光控制方法就是釆用模擬調(diào)光控制方法,在模擬調(diào)范圍窄,一般在180~240V,波紋干擾大。光控制下,通過(guò)調(diào)節(jié)LED的正向工作電流來(lái)實(shí)現(xiàn)LED3)電容器降壓的調(diào)光控制,調(diào)光控制范圍可達(dá)10:1。這種方式的LED驅(qū)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(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制LED用因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)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(diào)光控制方法就是采用數(shù)字或稱(chēng)為瞬間電流很大,容易損壞LED驅(qū)動(dòng)控制芯片。PWM的調(diào)光控制法,PWM調(diào)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(diào)制的方法改變LED驅(qū)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(xiàn)LED的調(diào)光控制選用大于性也很低因?yàn)殡娐吠ㄟ^(guò)電阻降壓,受電網(wǎng)電壓變化100Hz開(kāi)關(guān)調(diào)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(diào)光閃爍現(xiàn)象,在LED的PwM調(diào)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(diào)光S)RCC降壓式開(kāi)關(guān)電源控制方法下可以在高調(diào)光比范圍內(nèi)保持LED的發(fā)光這種方式的LED驅(qū)動(dòng)電源優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓范圍比較顏色不變,采用PWM的LED調(diào)光控制的調(diào)光比范圍寬電源工作效率比較高,一般可在70%~80%,應(yīng)用可達(dá)3001。較廣。缺點(diǎn)主要是開(kāi)關(guān)頻率不易控制,負(fù)載電壓波紋系數(shù)較大,異常情況負(fù)載適應(yīng)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(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源比較理想,因?yàn)檫@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(wěn)定。電源轉(zhuǎn)換工作效率高,一般可以高達(dá)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(wěn)定。這種方LED產(chǎn)品;韓國(guó)首爾半導(dǎo)體生產(chǎn)商( Seoul Semiconduc式的LED驅(qū)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(wěn)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(qū)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(hù)措施,工作可靠性高工作電流為350mA;美國(guó)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(duì)LED驅(qū)動(dòng)IC的需求所示)。利用LED做的臺(tái)燈如圖6所示。按應(yīng)用來(lái)劃分,LED的驅(qū)動(dòng)IC市場(chǎng)有三大類(lèi),分別是消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、車(chē)用照明、建筑裝飾與家用照明。消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)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(qū)動(dòng)IC最符合需求,并且是應(yīng)用量大,應(yīng)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(qū)圖4韓國(guó)首爾半導(dǎo)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(zhuǎn)換成DC電源的LED驅(qū)動(dòng)IC,也就是將交中國(guó)煤化工圖7所示(資料來(lái)源流電轉(zhuǎn)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(yīng)用場(chǎng)合的LED驅(qū)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(yàn)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(guó)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(tái)燈圖9關(guān)于LED燈、LED燈具和CFL燈、CFL燈具的實(shí)測(cè)發(fā)光效率對(duì)比9小結(jié)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(duì)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常快,LED的推廣應(yīng)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,但是隨著技術(shù)的進(jìn)步,DED照明具有很好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):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(cè)發(fā)光效率對(duì)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(guó)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