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精品文檔-下載后可編輯LED光源驅(qū)動新技術(shù)——ACLED-技術(shù)方案引言
LED光源作為綠色、節(jié)能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關(guān)注、如火如荼地迅速發(fā)展。目前的LED光源是低電壓(VF=2→3.6V)、大電流(IF=200→1500mA)工作的半導體器件,必須提供合適的直流流才能正常發(fā)光。直流(DC)驅(qū)動LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟,由于我們?nèi)粘U彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣鳎ˋC100~220V),所以必須使用降壓的技術(shù)來獲得較低的電壓,常用的是變壓器或開關(guān)電源降壓,然后將交流(AC)變換成直流(DC),再變換成直流恒流源,才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)應用方案必然是:變壓器+整流(或開關(guān)電源)+恒流源(圖1)。LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個模塊,但是對于E27標準螺口的燈具來說空間十分有限,很難安置。無論是經(jīng)由變壓器+整流或是開關(guān)電源降壓,系統(tǒng)都會有一定量的損耗,DCLED在交流、直流之間轉(zhuǎn)換時約15%~30%的電力被損耗,系統(tǒng)效率很難做到90%以上。
韓國漢城半導體公司即已發(fā)明可以用交流直接驅(qū)動使其發(fā)光的ACLED,其次是美國III-NTechnology,3N技術(shù)開發(fā)MOCVD生長技術(shù)基礎(chǔ)上的氮化鎵襯底,可以增進照明和傳感器的應用,并降低成本和提高生產(chǎn)效率。對大大小小的硅發(fā)光二極管提供6英寸生產(chǎn)技術(shù)。3N發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管(ACLED),建立了全面的組合,以保護和改善技術(shù),牢固地確立其專有的立場,是首屈一指的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的交流發(fā)光二極管產(chǎn)品。我國臺灣省“工業(yè)技術(shù)研究院”2022年也完成可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并有實際應用系統(tǒng)方案的ACLED產(chǎn)品,可直接插電于60Hz或更高頻率的AC110V交流壓使其交流發(fā)光,應用于指示燈、霓虹燈、低瓦數(shù)照明燈,能有效解決現(xiàn)有LED無法直接在交流源下使用,造成產(chǎn)品應用成本較高的缺點。
1ACLED燈具的優(yōu)點
與白熾燈、鹵素燈、熒光日光燈、熒光節(jié)能燈、直流LED燈相比,ACLED燈具有更節(jié)能省電、更長壽、更有能效的高性價比。ACLED發(fā)光省去了成本不菲的AC/DC轉(zhuǎn)換器和恒流源。交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較如表1所示。
表1交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較
2矩陣排列
ACLED光源的重大技術(shù)突破是超細LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術(shù),同時利用LEDPN結(jié)的二極管特性兼作整流,半導體制程在其中扮演著相當重要的角色。ACLED通過半導體制程整合成一堆微小晶粒,采用交錯的矩陣式排列工藝,并加入橋式電路至芯片設(shè)計,使AC電流可雙向?qū)ǎ瑢崿F(xiàn)發(fā)光。
晶粒的排列如圖2所示,左圖是ACLED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖,右小圖是實際ACLED晶粒排列照片,ACLED晶粒在接上交流后通體發(fā)光,因此只需要二根引線導入交流源即能發(fā)光工作。
3工作原理
ACLED光源的工作原理如圖3,將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串,ACLED晶粒串組成類似一個整流橋,整流橋的兩端分別聯(lián)接交流源,另兩端聯(lián)接一串LED晶粒,交流的正半周沿藍色通路流動,3串LED晶粒發(fā)光,負半周沿綠色通路流動,又有3串LED晶粒發(fā)光,四個橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光,相對橋臂上的LED晶粒同時發(fā)光,中間一串LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流,LED的發(fā)光也是閃動的,LED有斷電余輝續(xù)光的特性,余輝可保持幾十微秒,因人眼對流動光點記憶是有惰性的,結(jié)果人眼對LED光源的發(fā)光+余輝的工作模式解讀是連續(xù)在發(fā)光。LED有一半時間在工作,有一半時間在休息,因而發(fā)熱得以減少40%~20%。因此ACLED的使用壽命較DCLED長。
ACLED成熟的產(chǎn)品如首爾用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在3.3W~4W,工作電流40mA;用于AC220V功率在3.3W-4W,工作電流20mA(圖4)。LED晶粒直接邦定在銅鋁基板上。引腳如圖5所示。
4典型應用
ACLED的典型應用電原理圖如圖6所示十分簡單,在ACLED兩端分別串入正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC,和限流電阻R1、R2、R3,接上110V或220V交流即可進入照明工作。
LED在大批量生產(chǎn)時,其阻抗有一定的離散性,ACLED也如此,為便于下游廠家的大批量應用,LED光源生產(chǎn)廠商在出廠時對批量生產(chǎn)的產(chǎn)品按阻抗分檔,客戶在使用時可按LED光源廠家提供的VF分檔表查用相應阻值的限流電阻,如表2所示是AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表。
表2AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表
5ACLED的發(fā)展
ACLED在家用電力上的方便性,不需要像DCLED一樣另外得幫燈具裝上一個交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器,不但節(jié)省了這顆轉(zhuǎn)換器的成本,也避免LED光源本身還沒壞,但轉(zhuǎn)換器卻先壞掉的窘境。交直流轉(zhuǎn)換器可說是一種隨著時間會老化、壞掉的電子元器件,其壽命比LED光源本身更短,故目前很多LED燈具壞掉,并不是LED光源壽命已盡,而是LED燈具使用的交直流轉(zhuǎn)換器先壞掉了。
ACLED還有一個特性,就是因為其工藝采用交錯的矩陣式排列,是輪流點亮的,在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮,也讓ACLED的使用壽命較DCLED長。
不過,ACLED現(xiàn)階段有兩個缺點,其一是發(fā)光效率并沒有DCLED高,這是因為DCLED發(fā)展目前是主流,ACLED剛剛起步,ACLED的發(fā)光效率是可以追上,甚至超過DCLED的。其二是ACLED有觸電的風險。故ACLED如果要應用在LED照明燈具上,應避免金屬鰭片的裸露,而應是間接地把熱帶走,這也就是發(fā)展新的充液LED固態(tài)照明燈具的設(shè)計概念。
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