照明級白光LED的性能與應(yīng)用

1、照明級白光LED的性能與應(yīng)用.txt生活，是用來經(jīng)營的，而不是用來計(jì)較的。感情，是用來 維系的，而不是用來考驗(yàn)的。愛人，是用來疼愛的，而不是用來傷害的。金錢，是用來享受 的，而不是用來衡量的。謊言，是用來擊破的，而不是用來裝飾的。信任，是用來沉淀的， 而不是用來挑戰(zhàn)的。 2007 年 03 月光 源 與 照 明2007年第 期照明級白光LED的性能與應(yīng)用楊 光 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) (合肥 230029)摘 要 基于 LED 的快速發(fā)展， 文中介紹了可以替代高能耗白熾燈， 甚至是熒光燈的照 明級白光 LED 的性能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特 征以及驅(qū)動(dòng)要求等。對于實(shí)際的替代使用具有一定的參考意義。關(guān)鍵詞 照明級

2、白光 LED 性能特點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)要求 一般認(rèn)為，作為性能優(yōu)良的固體 LED 照明光源， 白光LED是最具有應(yīng)用前景的。因此世界上許多國家 都投入了巨資，積極研究高功率、高效率的白光LED。目前已經(jīng)有商品化的照明級白光LED,價(jià)格也在不斷的下降。級的大功率、高性能的LED。其發(fā)光效率大于 40 lm/W。相對于以往的小功率、低效率的白光LED,由于照明級 LED 在發(fā)光性能、封裝結(jié)構(gòu)和使用要求等方面都有 所不同，因此在應(yīng)用上就具有一定的獨(dú)特性。白光 LED 的特性 目前市面上可以見到的單顆封裝單、多芯片型照 1 白光 LED 的性能明級白光LED的功率為W 3 W、5 W、0 W、5 W、所謂照明級

3、白光LED是指單顆封裝的、具有“瓦”20 W等系列產(chǎn)品。具體的綜合電參數(shù)見表所示。表 1 照明級白光 LED 的主要綜合電參數(shù)標(biāo)稱功率 /W 開啟電壓 /V 工作電壓 /V 工作電流 /mA 光通量 /lm 芯片數(shù)量 / 片顯色性 Ra 2.3 3.44.2 3 0 40502.3 3.24.2 0507080 35 6.87 80090 20 20 4 7 700200300 45 925 700400450 620 2534 700 700800 8 80白光 LED 的曲線參數(shù)圖 給出了 W白光LED的電壓電流曲線參 數(shù)。圖 白光LED典型的電壓電流曲線 從圖 曲線可見：當(dāng)加在其上的正向

4、電壓小于開 啟電壓時(shí)，正向電流很小，亮度很低。當(dāng)加在其上的 正向電壓超過了開啟電壓時(shí)，LED開始導(dǎo)通并發(fā)光。隨著正向電壓的進(jìn)一步加大，正向電流突然快速地 4 萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù) 上升，發(fā)光的亮度也逐漸加大，正向電壓與正向電流 基本上呈現(xiàn)出線性的關(guān)系，因此必須要嚴(yán)格控制正 向電流的大小，防止在使用的過程中超過其最大的 電流而嚴(yán)重縮短其使用壽命，甚至于造成永久性的 損壞。2007 年第 期（3）白光 LED 的外形結(jié)構(gòu) 常見單顆封裝的照明級白光 LED 的外形結(jié)構(gòu)見 圖2所示。由于其功耗較大，為防止工作時(shí) PN結(jié)溫 度過高而影響使用壽命，散熱就成為能否安全、有效 工作的主要問題，同時(shí)為了將芯

5、片輸出的白光盡量有 效地取出來，提高 LED 的發(fā)光效率也是至關(guān)重要的 問題。通常大功率的白光 LED 都是由單個(gè)或多個(gè)芯 片按照并聯(lián)或串聯(lián)模式封裝在同一散熱基片上，外觀 呈現(xiàn)為六角形（見圖 2a ）。當(dāng)然，也有較小功率（ W） 的白光 LED 是采用貼片形式（見圖 2b ），主要是用于 某些特殊的應(yīng)用場合，如數(shù)碼相機(jī)的閃光燈。2007 年 03 月 光 源 與 照 明 a b圖 2 兩種常見的白光 LED 的外形結(jié)構(gòu)白光 LED 的應(yīng)用 為了保證照明級白光 LED 不僅能得到良好的應(yīng) 用，而且能獲得較高的使用效率，首先是需要使其滿 足一定的應(yīng)用條件，其次是需要采用相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電 路來滿足 L

6、ED 工作的參數(shù)配合要求。（1）應(yīng)用條件驅(qū)動(dòng)電路是一種專為 LED 供電的特種電源， 要具有簡單的電路結(jié)構(gòu)、較小的占用體積以及較高的 轉(zhuǎn)換效率；驅(qū)動(dòng)電路的輸出電參數(shù)（電流、電壓）要與被驅(qū)動(dòng)的 LED 的技術(shù)參數(shù)相匹配，滿足 LED 的要求，并 具有較高精度的恒流控制和合適的限壓功能。多路輸 出時(shí)，每一路的輸出都要能夠單獨(dú)控制；具有線性度較好的調(diào)光功能，以滿足不同應(yīng)用場合對 LED 發(fā)光亮度調(diào)節(jié)的要求；在異常狀態(tài)（LED開路、短路、驅(qū)動(dòng)電路故障）時(shí)，電路能夠?qū)﹄娐纷陨?、LED和使用者都有相應(yīng)的保護(hù)作用；驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)，對其它電器的正常工作干擾 少，滿足相關(guān)的電磁兼容性要求。（2）線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用 線

7、性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用是一種最為簡單和最為直接的驅(qū) 動(dòng)應(yīng)用方式（圖3）。在照明級白光LED應(yīng)用中，雖然 存在著效率低、調(diào)節(jié)性差等問題，但由于其電路簡單、 體積小巧并能滿足一般要求，因此在一些特定的場合 應(yīng)用較多。穩(wěn)壓電源VDD+限流電阻R方式圖 3a 示出的穩(wěn)壓電源限流電阻的驅(qū)動(dòng)方式。 電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低。由于與 LED 串連的 電阻上的附加損耗較大，并且線性穩(wěn)壓電源VDD自身的功耗也較大，因此兩者疊加在一起所得到總體的 效率很低（V 50%,加上控制LED電流的精度低、亮 度不可調(diào)節(jié)，所以一般只應(yīng)用于較小功率和短時(shí)間照 明的場合,如 LED 手電筒、應(yīng)急照明燈。穩(wěn)流電源VDD+限流電阻R +電

8、子開關(guān)S方式圖 3b 示出的驅(qū)動(dòng)方式是圖 3a 驅(qū)動(dòng)方式的改進(jìn)方 式。其優(yōu)點(diǎn)是不僅提高了 LED 電流的控制精度,而且 LED的亮度也可以通過改變開關(guān) S的通斷比來調(diào)節(jié)。然而,由于串聯(lián)電阻和線性穩(wěn)流電源的附加損耗均較 高,因此所得到的總體效率仍然很低,具體的應(yīng)用范 圍受到較大的限制。圖 3 線性驅(qū)動(dòng)應(yīng)用（3）開關(guān)型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用 利用開關(guān)型驅(qū)動(dòng)（圖 4）可以獲得良好的電流控 制精度和較高的總體效率。開關(guān)型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用方式主要 分為降壓式和升壓式兩大類。降壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式 降壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng)是針對電源電壓高于 LED 的端 電壓或者是多個(gè) LED 采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)情況下的應(yīng)用,電 路見圖 4a 所示。電路的主要原

9、理是利用按照要求通斷的電子開 關(guān) S 所得到的斬波電流,來得到滿足 LED 工作時(shí)要求 的正向電流值,通過電流的負(fù)反饋?zhàn)饔茫ㄓ?R0 進(jìn)行電 流取樣）使得流經(jīng) LED 的正向電流穩(wěn)定在一定的范圍 內(nèi),同時(shí)可以兼有一定的調(diào)光功能。圖 4 中的電感 L 的作用是起到 S 開通時(shí)儲(chǔ)能和 S 關(guān)斷后的續(xù)流作用, 以減少流過LED正向電流的波動(dòng)。升壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng) 升壓式開關(guān)驅(qū)動(dòng)是針對電源電壓低于 LED 的端 電壓或者是多個(gè) LED 采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)情況下的應(yīng)用,電 路見圖 4b 所示。電路的工作原理是利用按照要求通斷的電子開關(guān)S的通斷作用。在S開通時(shí)電源 V給電感L儲(chǔ)能，S關(guān)斷后L上的電壓極性反轉(zhuǎn)與電源 電

10、 （DD） 壓 V DD 相疊加來得到滿足 LED 工作時(shí)要求的正向電流值和正向電 壓值,通過電流負(fù)反饋?zhàn)饔茫ㄓ?R0 進(jìn)行電流取樣） ,使得流過 LED 的正向電流穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)可 以兼有一定范圍的調(diào)光功能。 5 萬方數(shù)據(jù) 萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù) 2007 年 03 月 光 源 與 照 明 2007 年第 期 圖 4 開關(guān)型驅(qū)動(dòng)應(yīng)用（4）調(diào)光應(yīng)用方式 照明級白光 LED 不適合采用線性手段來調(diào)節(jié)其 發(fā)光的亮度，應(yīng)該采用保持正向電流的幅值不變（ LED 的工作電流） ，只改變正向電流單位時(shí)間內(nèi)電流脈沖 的寬度的方式來調(diào)光，因?yàn)檫@樣不會(huì)改變其發(fā)光的光 譜而造成白光的偏色。常用的調(diào)光應(yīng)用主要采

11、用以下 幾種方式（波形原理見圖 5）。 脈寬調(diào)制方式 脈寬調(diào)制是一種常見的調(diào)節(jié) LED 亮度的方式。 通過改變加在 LED 上的矩形脈沖電流的寬度大小，使 得 LED 上得到的平均電流在較大的范圍內(nèi)改變，可以 獲得較大范圍的調(diào)光效果。 頻率調(diào)制方式 頻率調(diào)制是另一種調(diào)節(jié) LED 亮度的方式。保持 加在 LED 上的矩形脈沖電流（幅值不變）的寬度不變， 通過改變單位時(shí)間加在 LED 上矩形脈沖電流個(gè)數(shù)的 多少，使得 LED 上得到的平均電流在較大的范圍內(nèi)發(fā) 生變化，使得 LED 亮度具有較大范圍的調(diào)節(jié)。位角調(diào)制方式 位角調(diào)制是采用一串含有 2 進(jìn)制序列脈沖，并且 序列脈沖的每一位寬度都按照其位值

12、的比例來延展。 通過改變單位時(shí)間加在 LED 上的矩形脈沖電流占有 位值所延展的寬度，使 LED 上得到的平均電流在較大 的范圍內(nèi)發(fā)生變化，以調(diào)節(jié) LED 的亮度。脈寬調(diào)制方式 頻率調(diào)制方式 位角調(diào)制方式 圖 5 調(diào)光應(yīng)用方式（5）綜合技術(shù)比較式的電路特點(diǎn)、電路構(gòu)成、優(yōu)缺點(diǎn)以及電路效率的比 采用不同的驅(qū)動(dòng)方式和不同的電路構(gòu)成所得到較。通過表 2 可以得到一個(gè)較為直觀的結(jié)果， 歸納如 的電路的結(jié)果相差很大。表 2 給出了采用不同驅(qū)動(dòng)方下：表 2 照明級白光 LED 不同驅(qū)動(dòng)方式的技術(shù)比較 線性型驅(qū)動(dòng)開關(guān)型驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 穩(wěn)壓電源限流電阻穩(wěn)壓電源限流電阻電子開關(guān)降壓型升壓型 電路簡單， 造價(jià)很低，

13、可以準(zhǔn)確控制 LED 的電流， 實(shí)現(xiàn)可以準(zhǔn)確控制 LED 的電流， 實(shí)現(xiàn) LED 溫度補(bǔ)償，輸入電壓優(yōu)點(diǎn)占用空間小，無電磁LED的溫度補(bǔ)償，可能有電磁干范圍寬， 無需散熱器，裝置體積小， 效率高，具有較大范圍 干擾。擾，具有一定的調(diào)光功能。的調(diào)光功能。 電阻功耗大，不能方成本較高，體積較大，電源的功耗電路的構(gòu)成復(fù)雜，裝置的成本高，占 用的體積大，需要考慮缺點(diǎn)便地控制電流，不能較大。電磁干擾問題，大電流時(shí)需要一定的散熱空間。 調(diào)光。效率很低，通常小于 50%較低，通常小于 60%較高，通常大于 70% 采用線性方式的驅(qū)動(dòng)電路的綜合效率最低，LED的亮度不可調(diào)，但是電路的構(gòu)成較為簡單；采用開關(guān)方式

14、的驅(qū)動(dòng)電路的綜合效率較高， 可以有限度的調(diào)節(jié) LED 的亮度，但是電路的構(gòu)成較 為復(fù)雜，可能還伴有一定的高頻干擾； 6 萬方數(shù)據(jù) 萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)線性限流加上電流控制開關(guān)的方式的效率中 等，電路的復(fù)雜性也居于中等，可以局部調(diào)光。 以上三種驅(qū)動(dòng)電路各有特點(diǎn)，各有優(yōu)劣，具體選 用那種方式需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來加以比較、權(quán)衡。 總之，照明級白光 LED 是一種（下轉(zhuǎn)第24 頁）2007 年 03 月光 源 與 照 明 2007 年第 期圖 2a 將硅原料放入融池內(nèi)進(jìn)行融鑄 , 待冷卻后形 成安定狀態(tài)的多結(jié)晶柱體 , 我們稱之為鑄錠。然后 , 進(jìn) 行破錠和太陽能電池切片加工。圖 2b 是在被切的基本片上進(jìn)

15、行形成產(chǎn)生電位的p 型和 n 型處理。另外 , 在電池片上印刷得到獲取電 流的電極而形成太陽能電池片。即使單片的太陽能電池片也能產(chǎn)生電能 , 但是為 了獲取更高的電壓 , 必須將電池片進(jìn)行串聯(lián)組配，同 時(shí)為了獲取較高的強(qiáng)度和耐候性 , 在太陽能電池的周 邊安裝鋼化玻璃、密封材和鋁框。至此得到最終的太 陽能電池板見圖 3 所示。圖 3 太陽能電池板太陽能控制器 太陽能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀 態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。 在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償 的功能。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng) 是控制器的可選項(xiàng)。蓄電池 蓄電池的作用是在有光照時(shí)

16、將太陽能電池組發(fā) 出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。由于 太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定 , 所以必須配置蓄電池后才能工作。一般有鉛酸蓄電池、 Ni-Cd 蓄電池、 Ni-H 蓄電池，它們的容量選擇直接影響系統(tǒng)的可靠 性以及系統(tǒng)價(jià)格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下 原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下 , 把白天太 陽能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來，同時(shí)還要能夠存 儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量 過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大， 一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命， 同時(shí)造成浪費(fèi)。照明燈具( LED)目前多數(shù)太陽能燈選用 LED作為光源，LED壽

17、命長，可以達(dá)到 00 000 h 以上，工作電壓低，非常適 合應(yīng)用在太陽能燈上。特別是 LED 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其 關(guān)鍵性突破，其特性在過去 5 年中有很大地提高，性 能價(jià)格比也有較大地提高。另外，LED由低壓直流供電，光源控制成本低，調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)都是可能 的，并且不會(huì)對 LED 的性能產(chǎn)生不良影響?？刂祁伾?改變光的分布，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)幻景都是可能的，所以它特 別適合在太陽能草坪燈上應(yīng)用。結(jié)束語 歐洲一些發(fā)達(dá)國家如德國早已使用太陽能，美 國也已經(jīng)開始大量使用。我國最權(quán)威的太陽能發(fā)電研 究機(jī)構(gòu)之一教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心曾 列出這項(xiàng)技術(shù)的“節(jié)能清單” ：全國每年新增戶外照 明燈 5000 萬

18、盞，如果太陽能燈能占到千分之一，一年 就能給國家節(jié)省近 7 億度電，等于給國家送了一個(gè) 0 萬千瓦的發(fā)電站。我們期待著這種最清潔的能源在不 久的將來能走進(jìn)千家萬戶。參考文獻(xiàn) 傅黎，國際太陽能新聞，太陽能， 2005(5)馬勝紅，太陽電池、組件及光伏方陣，大眾用電，2006(3)劉宏，高亮度白光 LED 直流照明燈的研究，節(jié)能與環(huán)保， 2005(8)何天龍，新型太陽能燈設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用，江西能源，2005( )(上接第6 頁) 新近開發(fā)的可用于替代普通照明的大功率固體發(fā)光 器件，雖然受制于目前的價(jià)格，在一定程度上制約了 應(yīng)用的速度，但是由于其具有的優(yōu)良性能，隨著研發(fā) 技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)言照明級白光 LED 一定具有 良好的應(yīng)用前景。本文通過對其性能特點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、 驅(qū)動(dòng)要求、驅(qū)動(dòng)電路效率等問題的討論，對照明級白 光 LED 的實(shí)際推廣應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。 24 參考文獻(xiàn)AVAGO TECHNOLOGICS. ASMT-Mx00 High Power LED LightSource Prelim Datasheet2 OSRAM Opto. 高輸出 OSTAR Lighting LED3 周志敏等 . LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用鐘金元 . LED 驅(qū)動(dòng)電路的研究 . 北京良業(yè)照明工程有限公司 萬方數(shù)據(jù)