SSL照明技術(shù)與進(jìn)展

路秋生

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京100050）

1 引言

自從1968年第一批LED開始進(jìn)入市場以來，至今已有30多年。隨著新材料的開發(fā)和LED生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，LED趨于高亮度化和全色化。氮化鎵基底的藍(lán)色LED的出現(xiàn)，更是擴(kuò)展了LED的應(yīng)用領(lǐng)域。

美國從2000年起投資5億美元實(shí)施 “國家半導(dǎo)體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月首次提出發(fā)展半導(dǎo)體照明計劃以加快LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 LED的發(fā)光原理

LED的發(fā)光原理就是將電能轉(zhuǎn)換為光的過程，將電流通過化合物半導(dǎo)體，通過電子與空穴的結(jié)合，過剩的能量將以光的形式釋出，達(dá)到發(fā)光的效果。通過LED的正向電流越大則LED的發(fā)光亮度越高，同時，通過LED發(fā)光電流的穩(wěn)定性將影響LED的發(fā)光穩(wěn)定性。因此，在實(shí)用中應(yīng)采用可以提供精確穩(wěn)定電流的LED驅(qū)動恒流源來為LED供電。

自1879年10月愛迪生研制成功世界上第一只實(shí)用白熾燈電光源以來，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，各種人造電光源技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，電光源技術(shù)經(jīng)歷了第一代的熱輻射電光源（例如白熾燈和鹵鎢燈等）、第二代的低壓氣體放電電光源（例如熒光燈）、第三代的高壓氣體放電電光源（例如高壓汞燈、高壓鈉燈和金鹵燈等）和第四代的固體電光源（例如LED等）的變遷。

常用電光源發(fā)光效率對比如圖1所示[3]，常用電光源發(fā)光效率的進(jìn)展如圖2所示[9]，通過技術(shù)進(jìn)步使各種電光源發(fā)光效率的變遷如圖3[4]所示，通過圖3可以看出，通過加速研發(fā)到2020年SSL照明發(fā)光效率可高達(dá)到大于200 lm/W的能力 （據(jù)有關(guān)資料報導(dǎo)，美國GREE公司在2010年上半年就在實(shí)驗(yàn)室推出了發(fā)光效率為208 lm/W的LED器件），通過技術(shù)進(jìn)步到2020年，爭取使SSL照明的發(fā)光效率達(dá)到225 lm/W的水平。固體發(fā)光電光源（SSL）展示出了很好的發(fā)展前景。由表1[10]可以看出由于技術(shù)進(jìn)步使各種新型電光源技術(shù)達(dá)到實(shí)用化的進(jìn)程。

圖1 常用電光源發(fā)光效率對比

圖2 各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比

圖3 通過技術(shù)進(jìn)步使各種電光源發(fā)光效率的變遷

各種常用電光源的性能對比 （資料來源于2009-APFC-SP1.4-Datapoint Research）如圖4所示。

圖4 各種常用電光源的性能對比

表1 [10]競爭使電光源技術(shù)成熟

3 LED照明的主要優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 LED照明的主要優(yōu)點(diǎn)

LED照明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（l） 體積小，重量輕；

（2）LED在生產(chǎn)過程中不需要添加“汞”，環(huán)保性能好；

（3）LED的體積可以做的非常小，便于各種設(shè)備的布置和設(shè)計；

（4）LED使用低電壓直流電就可以驅(qū)動，對使用條件要求較低；

（5）LED在結(jié)構(gòu)上沒有玻璃外殼，不需要像白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內(nèi)抽成真空或沖入特定氣體，因此LED的抗震、抗沖擊性能好；

（6）LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，封光束在一定角度（15°）內(nèi)定向輻射，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多；

（7）LED發(fā)出的光線能量集中度很高，發(fā)光亮度高，發(fā)光色彩豐富、純度高，發(fā)出的光線集中在較小的波長窗口內(nèi)；

（8）LED的響應(yīng)非常快，響應(yīng)時間在微秒級，在任何使用情況下可以實(shí)現(xiàn)瞬時啟動，與白熾燈泡200 ms的響應(yīng)時間相比，LED會在短短5 ns響應(yīng)時間內(nèi)發(fā)光，因此，目前LED已在汽車行業(yè)的剎車燈中得到了廣泛采用；

（9）使用壽命長，LED產(chǎn)品的壽命理論上可達(dá)10萬h，如果以5萬h計算，每天連續(xù)使用12 h，可以使用11.4 d；

（10）發(fā)光效率高，目前能實(shí)用LED的發(fā)光效率已達(dá)60～80 lm/W，實(shí)驗(yàn)室水平已達(dá)208 lm/W左右（GREE公司在2010年初已實(shí)現(xiàn)）。

白光LED的出現(xiàn)，是LED從標(biāo)識功能向照明功能跨出的實(shí)質(zhì)性一步。白光LED發(fā)光最接近日光，更能較好地反映照射物體的真實(shí)顏色，所以從技術(shù)角度看，白光LED無疑是LED最尖端的技術(shù)。

3.2 LED照明的主要缺點(diǎn)

（l）LED燈維修困難，維修時間長；

（2）LED驅(qū)動電路的工作效率還需進(jìn)一步提高；

（3）目前LED芯片的主要材料鎵（Ga）這種金屬原材料稀少，成本高；

（4）光電轉(zhuǎn)換效率低，LED工作時70%-80%的電能轉(zhuǎn)換成熱，僅有20%-30%的電能轉(zhuǎn)換為光；

（5）LED燈的生產(chǎn)成本高，售價昂貴，目前LED燈的售價是白熾燈、氣體放電燈的十幾倍或幾十倍以上，這是目前LED燈的推廣瓶頸；

（6）LED的光色不太柔和，LED發(fā)出的光線中藍(lán)色的成分多，紅色成分少，不如白熾燈、熒光燈發(fā)出的光線柔和，有刺目、視覺不舒服等感覺；

（7）LED是點(diǎn)光源、發(fā)光面很小，光輸出過于集中，因此必須進(jìn)行二次配光，才能達(dá)到實(shí)際使用的要求，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計也會直接影響LED的使用效果；

（8）LED的實(shí)際使用壽命不及宣稱的那樣高，LED的光衰與使用壽命的影響因素不僅僅是工作溫度，還有LED封裝材料的老化、熒光粉的劣化與自身壽命的限制，照明系統(tǒng)中驅(qū)動電路所采用元器中的壽命與故障、工作環(huán)境等因素都會影響LED的使用壽命；

（9）LED工作時芯片結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的熱量大，溫度高，功率越大產(chǎn)生的熱量越大。若散熱問題解決不好，LED工作時芯片結(jié)點(diǎn)溫升會很高，過高的結(jié)溫不但會使LED工作壽命急劇衰減，還會影響LED的峰值波長、光效等參數(shù)。

4 LED的應(yīng)用

LED在以下領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用。

（1） 汽車照明（車內(nèi)、車外）；

（2）商用照明；

（3）LCD背光照明；

（4）光傳感器；

（5）便攜式電子設(shè)備；

（6）居室照明；

（7）信號燈照明；

（8）標(biāo)識照明等。

LED的典型應(yīng)用如圖5所示[8]。

圖5 LED的典型應(yīng)用

5 LED的驅(qū)動

LED由于環(huán)保、使用壽命長、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而LED的驅(qū)動電路又是很重要的一個環(huán)節(jié)。LED具有類似于二極管的正向 V-I特性。在低于LED開啟閾值電壓（白光LED的開啟電壓閾值大約為 3.5 V）時，通常經(jīng)過該LED的電流非常小。在高于該閾值電壓時，電流會以正向電壓形式成指數(shù)倍遞增。目前LED驅(qū)動方式主要有直流和交流驅(qū)動兩種方式，直流驅(qū)動LED目前應(yīng)用最為廣泛。

5.1 LED的驅(qū)動方式

目前LED均采用直流電驅(qū)動，因此在市電與LED之間需要加一個LED驅(qū)動電源適配器。LED驅(qū)動電源適配器的功能是把交流市電轉(zhuǎn)換成適合LED驅(qū)動的直流電?，F(xiàn)在常用的LED驅(qū)動電源有兩種：一是恒電流驅(qū)動電路，二是恒電壓驅(qū)動電路。

（1）恒電流驅(qū)動電路

在恒電流驅(qū)動工作方式下，又有兩種驅(qū)動工作方式，一個恒壓源供多個恒電流源，每個恒電流源單獨(dú)給每路LED供電。這種方式，組合靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高一點(diǎn)。另一種是直接由恒電流源供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影響其他LED運(yùn)行的問題。這兩種LED驅(qū)動電源形式，在一段時間內(nèi)會并存。LED的多路恒電流輸出供電方式，在成本和性能方面會好些。

（2）恒電壓驅(qū)動電路

在確定恒電壓電路各項(xiàng)參數(shù)后，恒電壓電路輸出固定的直流電壓，輸出的直流電流隨LED負(fù)載的變化而變化。雖然恒電壓電路不怕負(fù)載開路，但是嚴(yán)禁負(fù)載完全短路，恒電壓電路輸出的電壓變化會影響LED的發(fā)光亮度；要使每串并聯(lián)以恒電壓電路驅(qū)動LED串發(fā)光亮度均勻，需加合適的電阻。

6 對LED驅(qū)動電路的主要要求

由于LED是V/I特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度工作特性。因而在應(yīng)用過程中需要對工作狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定和保護(hù)。LED驅(qū)動電路的質(zhì)量是LED長壽高效的關(guān)鍵保障。對LED驅(qū)動電路主要有以下技術(shù)要求。

（1）LED驅(qū)動電源要符合安全規(guī)范和電磁兼容的有關(guān)要求；

（2）驅(qū)動電源的工作壽命要與LED的使用壽命相適配；

（3）對外安裝型燈具，LED驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)要防水、防潮功能，燈具外殼要耐曬功能；

（4）特別像LED路燈的驅(qū)動電源，安裝在高空，維修不方便，維修的花費(fèi)大，需要高工作可靠性；

（5）LED驅(qū)動電源要符合有關(guān)安規(guī)和電磁兼容的技術(shù)要求；

（6）LED驅(qū)動電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外，如在恒電流輸出中增加LED溫度負(fù)反饋，防止LED的工作溫度過高，對延長LED的使用壽命有利；

（7）LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓能力。有些LED燈裝在戶外，如LED路燈。由于電網(wǎng)負(fù)載的啟/停和雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種電浪涌，有些電浪涌會導(dǎo)致LED的損壞。因此LED驅(qū)動電源要有抑制電浪涌的侵入，確保LED正常工作而不致由于浪涌的輸入而損壞；

（8）功率因數(shù)是電網(wǎng)對負(fù)載的要求。一般對70 W以下的用電器沒有強(qiáng)制性指標(biāo)要求。雖然功率不大的單個LED驅(qū)動電源功率因數(shù)低一些對電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家都用電照明，同類負(fù)載非常集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。據(jù)報道，對30～40W的LED驅(qū)動電源，不久的將來也許會對功率因數(shù)方面有一定的指標(biāo)要求；

（9）LED是節(jié)能產(chǎn)品，LED驅(qū)動電源的工作效率要高。對于LED驅(qū)動電源安裝在燈具內(nèi)的結(jié)構(gòu)，尤為重要。因?yàn)長ED的發(fā)光效率隨著LED工作溫度的升高而下降，所以LED的散熱非常重要。LED驅(qū)動電源的工作效率高，它的功率損耗就小，在燈具內(nèi)的發(fā)熱量就小，也就相應(yīng)降低了燈具的溫升，這對延緩LED的光衰有利。

7 LED驅(qū)動電路拓?fù)涞倪x擇

實(shí)用中有多種LED驅(qū)動電源電路拓?fù)淇晒┻x擇，表2給出了這些可供選擇的常用LED驅(qū)動電源電路拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，表2給出的有關(guān)信息有助于LED驅(qū)動電源電路拓?fù)涞倪x擇。除這些拓?fù)渲?，還可使用簡易的限流電阻器或線性穩(wěn)壓器來驅(qū)動LED，但是這類驅(qū)動方法的工作效率很低。在設(shè)計LED驅(qū)動電源電路所需考慮的有關(guān)因素有輸入供電電壓變化范圍、所驅(qū)動LED的數(shù)量、LED的工作電流、輸入輸出是否需要隔離、EMI抑制以及LED驅(qū)動電源電路的工作效率等因素。

8 LED的調(diào)光

LED的調(diào)光應(yīng)用是一件經(jīng)常遇到的事。例如LED背光照明的LCD顯示屏亮度調(diào)節(jié)和建筑物燈亮度調(diào)節(jié)的應(yīng)用場合。實(shí)現(xiàn)LED調(diào)光控制的常用方法有兩種：即調(diào)節(jié)通過LED的正向工作電流來實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)通過LED正向工作電流的脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光亮度的調(diào)節(jié)。

第一種LED調(diào)光控制方法采用模擬調(diào)光控制方法，在模擬調(diào)光控制下，通過調(diào)節(jié)LED的正向工作電流來實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光控制，調(diào)光控制范圍可達(dá)10：1。

由于LED的光輸出并非完全與LED正向工作電流呈線性關(guān)系，因此調(diào)節(jié)通過LED的正向工作電流的調(diào)光控制方法工作效率很低。并且，LED的發(fā)光色譜通常會在電流低于額定值時發(fā)生改變。

第二種LED調(diào)光控制方法就是采用數(shù)字或叫PWM的調(diào)光控制法，通過脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)LED正向工作電流的脈沖占空比的調(diào)光控制方法更為精確。PWM調(diào)光控制法以大于100 Hz的開關(guān)工作頻率，以脈寬調(diào)制的方法改變LED驅(qū)動電流的脈沖占空比來實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光控制，選用大于100 Hz開關(guān)調(diào)光控制頻率主要是為了避免人眼感覺到調(diào)光閃爍現(xiàn)象，在LED的PWM調(diào)光控制下，LED的發(fā)光亮度正比于PWM的脈沖占空比，在這種調(diào)光控制方法下可以在高調(diào)光比范圍內(nèi)保持LED的發(fā)光顏色不變，采用PWM的LED調(diào)光控制的調(diào)光比范圍可達(dá)3 000：1。

表2 常用LED驅(qū)動電源電路的拓?fù)?/p>

9 交流LED(AC LED）驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)與工作原理

9.1 交流LED(AC LED）驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)

AC LED驅(qū)動的重大技術(shù)突破是超細(xì)LED晶粒在封裝時采用特殊交錯的矩陣排列組合技術(shù)，同時利用LED PN結(jié)的二極管特性兼作整流，半導(dǎo)體制作過程在其中扮演著相當(dāng)重要的角色。AC LED通過半導(dǎo)體制作過程整合成一堆采用交錯矩陣式排列工藝的微小晶粒，并加人橋式電路至芯片設(shè)計，使交流電流通過LED可以雙向?qū)?，?shí)現(xiàn)LED的發(fā)光。AC LED晶粒的排列如圖6所示，因此只需要二根導(dǎo)線引人交流電源即可使AC LED發(fā)光工作。

圖6 ACLED晶粒排列示意圖

9.2 交流LED(AC LED）驅(qū)動的工作原理

交流LED驅(qū)動的工作原理圖如圖7所示，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，五串交流LED晶粒組成類似一個整流橋的電路，整流橋的兩端分別連接110 V/220 V交流市電電源，交流LED的另兩端連接一串LED晶粒，交流市電的正半周沿1號通路流動，3串LED晶粒發(fā)光，負(fù)半周沿2號通路流動，又有3串LED晶粒發(fā)光，四個橋臂上的LED晶粒輪流發(fā)光，中間一串LED晶粒同時發(fā)光。四個臂上的LED以每秒50/60次的頻率輪替點(diǎn)亮。通過整流橋的直流電流是脈動直流電流，LED的發(fā)光是閃動的，由于LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝時間可以保持幾十納秒，并且由于人眼的視覺停留作用，使人眼對LED的發(fā)光感覺是連續(xù)發(fā)光。

目前世界上美國、韓國和中國臺灣有AC LED技術(shù)，臺灣工研院開發(fā)出白光、藍(lán)光及綠光AC LED的制成技術(shù)，不僅與國際同步，也是全球領(lǐng)先者之一。

圖7 交流LED(AC LED）驅(qū)動工作原理圖

10 OLED照明

10.1 OLED的工作原理

OLED(Organic Light Emitting Diode）是指有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)發(fā)光材料在電場的驅(qū)動下，通過載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的技術(shù)，其工作原理是用ITO玻璃 （Indium Tin Oxides）（銦錫氧化物半導(dǎo)體）透明電極和金屬電極分別做為OLED器件的陽極和陰極，在一定電壓驅(qū)動下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入到電子傳輸層和空穴傳輸層，然后分別遷移到發(fā)光層，相遇后形成激子使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射后發(fā)出可見光。輻射光可以從ITO玻璃板一側(cè)觀察到，金屬電極膜同時也起到了發(fā)射層的作用，工作原理如圖8所示。

圖8 OLED結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理

根據(jù)使用有機(jī)功能材料的不同，OLED器件可以分為低（?。┓肿覱LED器件和高分子OLED器件（PLED）兩大類。低（?。┓肿覱LED技術(shù)發(fā)展較早（1987年），并且技術(shù)已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化水平。高分子OLED發(fā)展始于1990年，目前該技術(shù)尚未成熟。

根據(jù)驅(qū)動方式不同，OLED器件又可以分為無源驅(qū)動型（又稱為被動驅(qū)動PM，Passive Matrix）和有源驅(qū)動型 （又稱為主動驅(qū)動AM，Active Matrix）兩種。無源驅(qū)動型OLED不采用薄膜晶體管（TFT）基板，一般適用于中小尺寸顯示；有源驅(qū)動型則采用TFT基板，適用于中大尺寸顯示，特別是大尺寸全彩色動態(tài)圖像的顯示。目前，無源驅(qū)動型OLED技術(shù)已比較成熟，商業(yè)化的產(chǎn)品都是無源驅(qū)動型；有源驅(qū)動型OLED技術(shù)發(fā)展很快，但是還需要幾年的時間才能推出商用化產(chǎn)品。

OLED無需背光源，可以自己發(fā)光，并且可視角度和亮度較高，厚度更薄，結(jié)構(gòu)也相對簡單，如采用可撓式基板，則可以變化成不同形狀。并且OLED能夠顯著節(jié)省電能。

OLED的發(fā)展已由單色到全色、從硬屏到軟屏，屏面尺寸也由小到大。目前，OLED主要用于平面顯示，已開始向照明領(lǐng)域擴(kuò)展[1]。

10.2 OLED的特點(diǎn)

（l） 成本低；

（2） 視角廣；

（3）耗電量少；

（4）發(fā)光反應(yīng)速度快；

（5）應(yīng)用比較簡單方便；

（6）工作時產(chǎn)生的熱量低；

（7）抗震動、耐沖擊性能好；

（8）不含汞、環(huán)保、無汞污染；

（9）制造工藝比較簡單，易于大規(guī)模生產(chǎn)；

（10）重量輕、厚度薄、為平面型、可以卷起來；

（11）使用壽命長：目前已達(dá)5 000-20 000 h，理論上可達(dá)20萬h；

（12）發(fā)光效率高，目前OLED的發(fā)光效率已達(dá)60 lm/W，預(yù)計可達(dá)200 lm/W以上；

OLED要進(jìn)入照明領(lǐng)域，取代某種電光源，還需要進(jìn)一步提高它的發(fā)光效率，延長使用壽命，降低使用成本。

10.3 OLED發(fā)展的趨勢

OLED是繼LED之后又發(fā)現(xiàn)的一種更為優(yōu)秀的固體電光源，不遠(yuǎn)的將來它將會很好的應(yīng)用于照明應(yīng)用場合，將會逐步瓜分LED和部分氣體放電光源的應(yīng)用市場，而成為照明領(lǐng)域的主要電光源之一。OLED的應(yīng)用演進(jìn)圖如圖9所示，透明OLED的UDC原型如圖10所示，利用OLED可以改變我們的常用顯示方式[10]，如圖11所示。

圖9 OLED的應(yīng)用演進(jìn)圖

圖10 透明OLED的UDC原型

圖11 利用OLED可以改變我們的常用顯示方式（10）

11 結(jié)語

通過以上的討論和分析可以看出（例如圖3所示的關(guān)于各種電光源發(fā)光效率的進(jìn)展對比曲線），在目前我們所用的各類電光源中，LED電光源發(fā)光效率的提升速度非?？欤琇ED的推廣應(yīng)用和LED的封裝、散熱、LED燈具的具體制作等方面都有很大的關(guān)系，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，LED照明具有很好的應(yīng)用前景。

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