LED照明与应用

2009年12月灯与照明第33卷第4期8LED研究LED照明与应用路秋生(北京信息职业技术学院,北京10050摘要:该文从LED的有关发光原理、特点、LED的驱动、LED的调光控制和LED的世界新产品推出与性能改进等方面进行了讨论,由于LED照明技术的一系列优点,LED照明进展非常快,LED照明有很好的应用前景。关键词:LED;发光效率;驱动;调光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简介2LED的发光原理1963年2月,LED的发明者N. HOLONYAK在LED的发光原理就是将电能转换为光的过程将《读者文摘》(美)上发表了“我们坚信LED会发展成电流通过化合物半导体,通过电子与空穴的结合,过实用的白色光源”一文,并作了明确的预言:“将来的剩的能量将以光的形式释出,达到发光的效果。通过灯可以是铅笔尖大小的一块合金,它实用且不易破ED的正向电流越大则LED的发光亮度越高,同时,碎决不烧毁,比起今天通用的灯泡来说,其转换效率通过LED电流的稳定性将影响LED的发光稳定性。至少大10倍。”因此,在实用屮应釆用可以提供精确稳定电流的LEDN. HOLONYAK在2000年在美国物理学会会刊驱动恒流源。上以“发光二极管是灯的终结吗?为题发表文章,其结论是“原则上发光二极管是灯的最终形式实际上3LED照明的优点也是如此,它的发展确实能够而且将持续到所有功率由于LED具有发光效率高、使用寿命长、耐用、采和颜色都实现为止,了解这一点极为重要”。用低电压和低电流驱动、工作安全可靠、节能省电、环LED照明技术飞速发展,在照明领域得到了广泛保、防震、防水、体积小、光控制方便,发光色彩丰富、的应用。下面对IED的有关发光原理、特点、LED的色域宽、光束集中,响应速度快,可以智能化、网络化驱动、LED的调光控制和世界LED的新产品推出与控制与调节的一系列优点,这是以往任何光源无法比性能改进等方面加以讨论。拟中国煤化工命长免维护易控制、CNMHG收稿日期:200909-10作者简介:路秋生(1956-),工学硕土,教授,主要从事电子技术电力电子技术的教学、科研工作。2009年12月灯与照明第33卷第4期环保等特点已成为各国照明产品的积极发展方向。H低压钠灯LED照明的优点不仅体现在发光质量方面,在其生产、制造易用性方面都要大大超越白炽灯荧光灯m高压钠灯等传统电光源因此自60年代LED诞生以来得到了B金鹵灯R高高达95长足的发展和应用,LED照明的优点主要体现在以下HD秉CRI高达60几个方面。(1)LED的响应非常快响应时间在微秒级;cR高达95(2)LED在生产过程中不需要添加“汞”,环保性直官荧光灯CR高达98能好;高达85(3)LED的发光指向性非常强,亮度衰减比传统光源低很多感灯(4)LED的体积可以做得非常小,便于各种设备白炽灯CRI高达100的布置和设计20406080100120140160180200(5)LED使用低压直流电就可以驱动,对使用条灯发光效率(1/件要求较低;图1各种常用电光源的性能对比(6)LED发出的光线能量集中度很高纯度高,发出的光线集中在较小的波长窗口内灯发光效率的进(7)LED元件的使用寿命长,一般在5万~10万长压钠灯h之间,即使是频繁的开关,也不会影响LED的使用寿命;高压钠灯(8)LED在结构上没有玻璃外壳,不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽成真空或冲入特定气金怒灯体,因此LED的抗震抗冲击性能良好,给LED的生产、运输使用各个环节带来了便利。LFD在以下领域得到了广泛的应用。高压秉灯(1)汽车照明(车内、车外);(2)商用照明卤铭灯(3)LCD背光照明;4)光传感器;0002005(5)便携式电子设备;(6)居室照图2各种电光源发光效率的进展对比(7)信号灯照明;(8)标识照明等。(3)世界上有关国家关于白炽灯的禁用时间表由于白炽灯的发光效率很低(在1m/W左右4有关照明电光源的数据所以世界上有关国家给出了白炽灯的禁用时间表以(1)各种常用电光源的性能对比采用发光效率更高的电光源(例如LED卤钨灯低压各种常用电光源的性能对比(资料来源于200.0钠灯和高压钠灯等),世界上有关国家白炽灯的禁用APFC-SP14 Datapoint Research)如图1所示。时间表如图3所示(资料来源于200APFC-SP1.4然而,从商用可用性的角度而言固态照明(Ss) atapoint Research)。LED将会成为发光效率最高的照明光源,LED照明的5IE的吓动要成呕动方式和驱应用前景看好。中国煤化工(2)各种电光源发光效率的进展对比CNMHG各种电光源发光效率的进展对比(资料来源于(1)LED的驱动方式2009- APFC-SP14 Datapoint Research)如图2所示。目前LED均采用直流电驱动,因此在市电与LED2009年12月灯与照明第33卷第4期①在确定恒电压电路各项参数后,恒电压电路输出固定的直流电压,输出的直流电流随LED负载的变要内璃拉化而变化②恒电压电路虽然不怕负载开路,但是严禁负载阿根廷完全短路梁巒垩③幣流输出的电压变化会影响LED的发光亮度;④要使每串并联以恒电压电路驱动LED串发光宽大利亮度均匀需加合适的电阻菲宾(2)LED的驱动要求在选择和设计LED驱动电源时需考虑以下几点。北爱尔1)LED驱动电源要符合安全规范和电磁兼容的有关要求。加拿大2)驱动电源的工作寿命要与LED的使用寿命相适配。3)防护功能:对外安装型灯具,LED驱动电源结頁員晨頁园最晨員构要防水、防潮,灯具外壳要耐晒。4)高工作可靠性:特别是LED路灯的驱动电源安装在高空,维修不方便维修的花费大。图3世界上有关国家自炽灯的禁用时间表5)保护功能:电源除了常规的保护功能外,如在之间需要加一个LED驱动电源适配器。LED驱动电源恒电流输出中增加LED温度负反馈防止LED的工适配器的功能是把交流电转换成适合LED驱动的直流作温度过高,对延长LED的使用寿命有利电。现在常用的LED驱动电源有两种:一是恒电流驱6)浪涌保护:LED抗浪涌的能力是比较差的,特动电路,二是恒电压驱动电路。下亩分别加以介绍。别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要1)恒电流驱动电路有些LED灯装在户外,如LED路灯。由于电网负载在恒电流驱动工作方式下,又有两种驱动工作方的启/停和雷击的感应,会从电网系统侵入各种电浪式,一种是一个恒压源供多个恒电流源,每个恒电流涌,有些电浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制电浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一7)高功率因数:功率因数是电网对负载的要求一般对70W以下的用电器没有强制性指标要求。虽点。另一种是直接由恒电流源供电,LED串联或并联然功率不大的单个LED驱动电源功率因数低一些对运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,还要解电网的影响不大,但晚上大家都点灯,同类负载非常决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这集中,会对电网产较严重的污染。据报道,对30W两种LED驱动电源形式在一段时间内会并存。LED40W的LED驱动电源,不久的将来也许会对功率的多路恒电流输出供电方式在成本和性能方面会好因数方面有一定的指标要求。些,LED采用恒电流驱动具有以下特点。8)高工作效率:LED是节能产品,LED驱动电源①利用恒电流驱动电路来驱动LED是很理想的,的工作效率要高。对于LED驱动电源安装在灯具内缺点就是价格较高的结构,尤为重要。因为LED的发光效率随着LED②恒电流驱动电路虽然不怕负载短路但是严禁工作温度的升高而下降,所以LED的散热非常重要。负载完全开路LED驱动电源的工作效率高,它的功率损耗就小,在③恒电流驱动电路的输出电流是恒定的,而输出灯具内的发热量就小,也就相应降低了灯具的温升,直流电压却随着LED负载的大小不同在一定范围内延绍IFD的光意右科变化;中国煤化工结构划分④要限制LED的使用数量,因为它有最大承受电CNMHG以大致分为以下几类流及电压值的问题1)常规变压器降压2)恒电压驱动电路这种电源的不足之处是重量偏重、体积较大,电2009车12月灯与照明第33卷第4期源工作效率很低,一般在4%~60%,因为工作可靠性不高,所以一般很少使用7LED的调光控制2)电子变压器降压LED有两种常用的调光控制方法,第一种LED这种电源结构不足之处是转换效率低适应电压调光控制方法就是釆用模拟调光控制方法,在模拟调范围窄,一般在180~240V,波纹干扰大。光控制下,通过调节LED的正向工作电流来实现LED3)电容器降压的调光控制,调光控制范围可达10:1。这种方式的LED驱动电源容易受电网电压波动如果要进一步降低LED的正向工作电流则会产的影响,电源工作效率低,不宜在LED发光闪动时使生LED发光颜色发生变化和不能准确调节控制LED用因为LED驱动电路通过电容器降压,在LED发光正向电流的问题。闪动使用时,由于电容器的充放电作用,通过LED的第二种LED调光控制方法就是采用数字或称为瞬间电流很大,容易损坏LED驱动控制芯片。PWM的调光控制法,PWM调光控制法以大于100Hz4)电阻降压的开关工作频率,以脉宽调制的方法改变LED驱动电这种供电方式电源工作效率很低并且工作可靠流的脉冲占空比来实现LED的调光控制选用大于性也很低因为电路通过电阻降压,受电网电压变化100Hz开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉的干扰较大LED的工作电流受电网电压变化的影响到调光闪烁现象,在LED的PwM调光控制下,LED较大。并且降压电阻本身还要消耗很大部分的功率o的发光亮度正比于PWM的脉冲占空比,在这种调光S)RCC降压式开关电源控制方法下可以在高调光比范围内保持LED的发光这种方式的LED驱动电源优点是稳压范围比较颜色不变,采用PWM的LED调光控制的调光比范围宽电源工作效率比较高,一般可在70%~80%,应用可达3001。较广。缺点主要是开关频率不易控制,负载电压波纹系数较大,异常情况负载适应性差。8世界LED的新产品推出与性能6)PWM控制式开关电源改进就目前而言,PWM控制方式设计的LED驱动电源比较理想,因为这种开关电源的输出电压或电流都LED的新产品不断推出,2007年1月飞利浦的很稳定。电源转换工作效率高,一般可以高达80%~ Lumileds宣布推出350mA,发光效率为115lm/W的90%,并且输出电压和输出电流都十分稳定。这种方LED产品;韩国首尔半导体生产商( Seoul Semiconduc式的LED驱动电源主要由四部分组成。它们分别是:0200年12月推出发光效率为100lm/W的世界主输入整流滤波部分输出整流滤波部分、PWM稳压上最亮的240m单颗LED(如图4所示);日本日亚控制部分开关变换部分。并且这种LED驱动电路可公司200年8月推出LED的发光效率为92lm/W,以添加完善的保护措施,工作可靠性高工作电流为350mA;美国GREE公司2006年8月推出160lm的白光LED,发光效率为85lm/W(如图56对LED驱动IC的需求所示)。利用LED做的台灯如图6所示。按应用来划分,LED的驱动IC市场有三大类,分别是消费类电子产品、车用照明、建筑装饰与家用照明。消费类电子产品的应用特点是以电池为能源,电压一般为4.2~84V,因此低电压、小电流的LED驱动IC最符合需求,并且是应用量大,应用面广的产品。在车用照明产品方面,由于供电电源来自于汽车Seoul semiconductor电池,一般为48V,所以需要较高电压降压的LED驱图4韩国首尔半导体生产的单颗LED动IC。至于建筑装饰照明和家庭照明,则需要将AC电源直接转换成DC电源的LED驱动IC,也就是将交中国煤化工图7所示(资料来源流电转换为直流电源并同时完成与LED电压及电流ENECNMHGLighting Stakeholder的匹配。因此,不同应用场合的LED驱动C也将有 Meeting, Februar8,200,参见参考资料1)所不同。世界有关荧光灯、LED、OLED实验室和商用白光27:2009车12月灯与照明第33卷第4期0752010Cree inc图5美国GREE公司生产的单颗LED图8世界有关照明器件发光效率研发进展的曲线System Efficacy Vs Luminaire EfficacyLASrs图6LED台灯图9关于LED灯、LED灯具和CFL灯、CFL灯具的实测发光效率对比9小结通过以上的讨论和分析可以看出(如图2所示的关于各种电光源发光效率的进展对比曲线),在目前我们所用的各类电光源中,LED不是发光效率最高的电光源,但是,LED电光源发光效率的提升速度非常快,LED的推广应用和LED的封装、散热、LED灯具的具体制作(如图9所示)等方面都有很大的关系,但是随着技术的进步,DED照明具有很好的应用前景。参考文献:图7世界白光LED的发展进程LED的发光效率研发进展的曲线如图8所示(资料来[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, February8,2007,参见参考资料1)。Program February 8, 2007关于LED灯、LED灯具和CFL灯、CFL灯具的实[2] Marc Ledbetter ENERGY STAR SSl: Introduction and Ap-测发光效率对比如图9所示(资料来源 ENERGYh Pacific Northwest National Laboratory ENERGYSTAR SSL Stakeholders Meeting February 8, 2007,n中国煤化工 February8,2007参考资料2)。CNMHG[4]Senior Analyst, Datapoint Research Ltd. Theglobal lighting revolution- Market Forecasts for LampsBallasts, Semiconductors APEC SP1. 4. 2009