《電子技術應用》
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高亮度LED在照明中的應用
摘要: 傳統照明光源種類包括:白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈和高強度氣體放電燈。與此相比,采用高亮度LED的固態照明光源具有諸多的優點:低功耗,高光效,長壽命,響應快,易數字控制,環境友好。
Abstract:
Key words :

自從上世紀六十年代誕生第一個發光二極管以來,在相當長的一段時間內,由于輸出流明的局限性,LED只是應用在信號指示用途。至九十年代,藍光LED由于較經濟的實現方法而得以產品化。進入二十一世紀,大功率白光LED被研制成功并且迅速地產業化。此間,由于大型照明光源電氣公司的介入,例如PHILIPS和OSRAM,高亮度白光LED的光效取得了突破性的改進,并且迅速地開始進入普通照明的應用領域。目前,高亮度白光LED的光效在良好的散熱條件下,已經超越了熒光燈的光效。隨著更多的技術與資本投入,高亮度LED的光效在不斷的提高,而其成本則開始快速的下降,最終其性能價格比必將為普通消費者所接受。

傳統照明光源種類包括:白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈和高強度氣體放電燈。與此相比,采用高亮度LED的固態照明光源具有諸多的優點:低功耗,高光效,長壽命,響應快,易數字控制,環境友好。

LED與傳統光源的光效對比

據美國能源部(DOE)表示,美國22%的電能用于照明。DOE聲稱在今后20年中,LED照明將在美國得到快速普及,可以減少62%的照明電能需求。另外,它能消除2.58億噸的二氧化硅排放量,少建133座新的電廠。采用LED照明能使財政節減1150多億美元。

在中國,國家半導體照明工程研發及產業聯盟已經成立。聯盟制定的技術規范,將通過研討、培訓等方式在聯盟內部推廣使用,并向政府采購部門和標準管理部門推薦,納入到國家和行業標準工作體系中,引導和推動國家和行業標準的制定與實施。聯盟在適當的時機將成立“聯盟標準化技術委員會”,邀請政府領導、行業專家、標準化專家、質檢機構、檢測設備專家等共同參與 。國家已經出臺高效照明產品推廣財政補貼資金管理暫行辦法,這是我國政府加大力度推廣高效照明產品,促進實現節能減排目標的又一重要舉措,確保實現“十一五”期間通過財政補貼方式推廣高效照明產品1.5億只,可節電290億千瓦時,減少二氧化碳排放2900萬噸。

目前我國的半導體照明主要應用于特殊照明領域,如交通信號燈、景觀照明、LED全彩顯示屏等,但節能的效果明顯:如景觀照明(替代霓虹燈)節能70%,交通信號燈(替代白熾燈)節能80%;庭院燈節能70%。在功能性照明領域,節能效果已開始顯現,如LED作為次干道路燈(替代高壓鈉燈)節能70%。雖然初始采購價格是普通路燈的3倍,綜合成本約3-4年可持平。 預計當LED產品的發光效率達到 100 lm/W時,將開始進入普通照明市場,年節電500億度,通過節電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放5000萬噸。當LED產品的發光效率達到 150 lm/W時,LED照明將占有 20% 的照明市場 (照明用電將超過5000億度),每年將節約用電 1000 億度,超過三峽水電站的年發電量(847億度/年)。通過節電可減少CO2、SO2、NOx、粉塵排放1億噸。

目前,LED的成熟應用市場有:建筑景觀照明,建筑景觀照明,廣告顯示屏,小尺寸LCD背光源,汽車應用,太陽能LED照明。在未來,還有著更廣闊的應用前景,如中大尺寸LCD背光源,道路照明,室內普通白光照明,農業生產用人工光源,醫療用光源,LED液晶投影機,DLP背投用LED光源,航空照明光源,博物館文物展示照明等。

LED固態照明的產業鏈分布也極為廣泛。在產業鏈的上游,包括半導體材料供應,晶圓制造,封裝等。在中游,包括功率驅動,光學組件,散熱器等。在下游,包括燈具,照明管理軟件,工程系統集成等。其中,功率驅動單元的作用是為LED提供恒定的電流,實現調光,混色,與上位機的通訊,熱監測等。目前,在很多集成電路供應商的產品線中都能找到LED驅動的專用芯片。近來,該類驅動芯片的技術趨勢是,功率開關器件被集成進芯片內部,開關模式工作在更高的頻率,芯片具備更寬的工作電壓。對于小電流的LED驅動,該類芯片通常使用開關電容來實現電荷泵,總的輸出電流有限。而對于大電流LED的驅動,一般采用基于電感的開關拓撲結構,如boost , buck , sepic 等。由于MHZ的工作頻率,其中的電感已經能夠微型化。轉換效率是該類電路的重要指標之一,最佳條件下,可以達到最高95%的效率。電流環的控制,大致可分為兩類,一是滯環控制,二是平均電流控制。兩者各有優缺點,對滯環控制,其動態響應快但電流精度較差。對平均電流控制,其控制精度較高,但動態響應較慢。兩種控制模式均需要進行電流信號的采樣和反饋,電流的采樣方式有多種,包括低端電流采樣,高端電流采樣和浮置電流采樣。對于不同的應用要求,可以采用不同的拓撲結構,不同的控制方式,以及不同的電流采樣位置。

總的來說,LED在照明領域中的應用極其廣泛和多樣,被認為是人造光源中的第三次革命,其帶來的影響是極為深遠的。

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