李厥富

(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東濟(jì)南 250200)

LED照明技術(shù)的應(yīng)用

李厥富

(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東濟(jì)南 250200)

LED技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,特別是白光LED的研制成功,使得LED照明進(jìn)入日常照明市場(chǎng)成為一種可能。LED照明具有發(fā)光效率高,使用壽命長(zhǎng),體積小,低污染等優(yōu)點(diǎn),隨著科學(xué)技術(shù)的提高和國(guó)家“綠色照明”政策的實(shí)施,LED照明器件的成本不斷降低,將來一定會(huì)取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)照明燈具,成為照明市場(chǎng)的主流。

白光LED LED照明 電路結(jié)構(gòu) 能效分析

1 LED照明技術(shù)簡(jiǎn)介

LED即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。自20世紀(jì)60年代，紅色LED研制成功以后，LED發(fā)光技術(shù)經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，科研人員解決了白光LED的發(fā)光技術(shù)問題。白光LED發(fā)光原理主要有兩種，一種是由460nm的藍(lán)光和555nm的黃光二原色混合形成白光；另一種是由紅綠藍(lán)三原色混合形成白光。技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有單芯片和多芯片。

隨著白光LED研究技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過調(diào)整各原色混合比例，可以獲得3500K至10000K色溫的白光來滿足不同場(chǎng)所的照明需求，使得LED照明進(jìn)入日常照明成為一種可能。

LED具有發(fā)光效率高，使用壽命長(zhǎng)，體積小，低污染等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段LED照明器件成本比較高，相信隨著LED研究水平和生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)提高，LED照明器件成本將越來越低，未來一定會(huì)取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)照明燈具，成為照明市場(chǎng)的主流。

2 LED照明電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

LED照明器件核心是PN結(jié)，工作電壓通常在3-4.5V之間，由于PN結(jié)是電流型器件，具有負(fù)溫度系數(shù)，因此LED照明器件的供電電路需要滿足低電壓和恒流輸出，通過對(duì)其工作電壓和電流進(jìn)行控制調(diào)整，防止溫度升高后電流變大燒毀LED照明器件。精確控制LED工作電壓電流，使得LED照明器件工作在設(shè)計(jì)典型狀態(tài)(最佳狀態(tài))，保持較高的發(fā)光效率，可有效提高能源利用率，節(jié)約能源。

下面就幾種LED照明電路結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)單介紹。

2.1 AC-DC照明電路

我國(guó)照明用電是220V交流電，而LED照明器件一般使用低壓直流電壓供電，因此必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能給LED供電，通常使用效率較高的開關(guān)電源作為AC-DC轉(zhuǎn)換部件。日常照明的燈具更換和升級(jí)改造多使用這種方式。小功率燈具可以將開關(guān)電源集成在LED照明燈具內(nèi)，直接替換原有燈具即可，安裝方便，性能可靠。大功率燈具的電路轉(zhuǎn)換部分可以與LED照明器件分體安裝，方便散熱，提高使用壽命。其典型電路結(jié)構(gòu)如(圖1)。

圖1

2.2 DC-DC照明電路

DC-DC照明電路多見于太陽能-LED照明系統(tǒng)。常用在新建照明系統(tǒng)或照明系統(tǒng)的升級(jí)改造。太陽能電池的技術(shù)進(jìn)步使太陽能轉(zhuǎn)換效率不斷提高，利用太陽能驅(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)日常照明可以有效節(jié)約不可再生能源，是“綠色照明”的發(fā)展方向。雖然太陽能電池的輸出電壓是直流電壓，但會(huì)隨著陽光照射角度和強(qiáng)度的變化輸出電壓發(fā)生改變，需要對(duì)太陽能電池的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)整，使之滿足LED照明供電條件。典型DC-DC電路結(jié)構(gòu)如(圖2)。

圖2

2.3 LED照明的電流控制電路

由于LED是非線性器件，具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度升高，工作電流不斷增大，如果不控制工作電流，會(huì)燒毀LED器件。在LED照明電路中必須采取措施對(duì)電流進(jìn)行控制調(diào)整。通常采取串聯(lián)分壓電阻形式對(duì)電流進(jìn)行控制調(diào)整，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整精度不高。在要求較高的照明電路中可采取恒流源供電，對(duì)LED工作電流精確調(diào)整，成本較高，電路復(fù)雜。

本文僅討論串聯(lián)電阻分壓電路的計(jì)算和控制過程(如圖3)。

圖3

圖4 先串后并混聯(lián)

(1)電阻R的確定。

電阻R的值由電源電壓、LED典型工作電壓和LED的典型工作電流確定。

R=(V電源-VLED)/ILED

(2)電流控制過程分析。

LED導(dǎo)通后隨著PN結(jié)溫度升高，流過LED的電流增大，電阻R分壓(VR=ILED*R)增大，電源電壓(V電源)不變，使LED兩端電壓(VLED=V電源-VR)降低，流過LED的電流降低，從而基本保持LED工作電流不變。

2.4 LED在照明電路中的聯(lián)接方式

LED的連接方式有并聯(lián)方式，串聯(lián)方式和混聯(lián)方式。由于單個(gè)LED器件導(dǎo)通電壓很低，全部采取并聯(lián)方式將照明LED器件與直流電源相連，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生較大工作電流，線路損耗較大，降低能源使用效率。串聯(lián)方式聯(lián)接LED器件可以解決并聯(lián)方式的缺陷，但

圖5 先并后串混聯(lián)

會(huì)要求驅(qū)動(dòng)電壓較高，并且會(huì)因?yàn)閱沃籐ED斷路損壞影響整個(gè)回路的LED工作，造成照明故障?；炻?lián)方式可有效解決并聯(lián)和串聯(lián)的問題，常見的有先串后并和先并后串方式，是LED器件的常用聯(lián)接方式。(圖4、5）為3串3并混聯(lián)和3并3串混聯(lián)電路示意圖。

(1)先串后并混聯(lián)方式：此種方式能保證每串中的LED工作電流相同，光強(qiáng)亮度一致性好。多只串聯(lián)的LED之間還互相起到限流調(diào)整作用， LED工作電流保持穩(wěn)定。缺點(diǎn)是單只LED損壞會(huì)造成本串整體不發(fā)光。

(2)先并后串混聯(lián)方式：此種方式對(duì)LED發(fā)光器件參數(shù)一致性要求較高，不然會(huì)因并聯(lián)的LED工作電流不同形成LED亮度不一致；單只LED損壞也會(huì)因電流分流路數(shù)不同造成LED亮度不一致。為防止PN結(jié)負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)燒毀并聯(lián)的LED，宜在每個(gè)LED中串聯(lián)一個(gè)限流電阻。

3 LED照明能效分析

普通白熾燈光源效率只有8-24lm/w，現(xiàn)在普遍使用的日光燈光源效率也只有50-80lm/w，而現(xiàn)階段LED光源效率可達(dá)到100-200lm/w。通過比較可以發(fā)現(xiàn)LED照明比白熾燈減少能耗90%左右，比日光燈減少能耗50-60%，LED還具有壽命長(zhǎng)、體積小、無污染、響應(yīng)速度快、可控性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。以LED照明代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明，實(shí)現(xiàn)“綠色照明”，是大勢(shì)所趨，是照明市場(chǎng)的發(fā)展方向。

4 國(guó)家政策,市場(chǎng)前景

按照國(guó)家“中國(guó)綠色照明工程”發(fā)展計(jì)劃安排，白熾燈將于2016年基本退出市場(chǎng)，日光燈因含有汞等劇毒物質(zhì)不符合現(xiàn)代環(huán)保理念，也必將被市場(chǎng)慢慢淘汰?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展沒有止境，LED照明燈具必將隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，解決LED器件顯色性、光譜離散、大功率器件散熱等問題，市場(chǎng)單位成本逐步降低，成為照明市場(chǎng)的主流。

[1]國(guó)家對(duì)高能耗照明產(chǎn)品的市場(chǎng)推出已經(jīng)有明確時(shí)間表.

[2]周志敏,紀(jì)愛華.LED照明電路設(shè)計(jì)100例.

[3]周志敏,紀(jì)愛華.太陽能LED照明技術(shù)與工程應(yīng)用.

[4]陳傳虞,劉明,陳家楨.LED驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與電路設(shè)計(jì).