智能綠色LED照明技術(shù)與應(yīng)用分析

陳慶軍

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制、總線、信號(hào)檢測(cè)和微電子技術(shù)迅速發(fā)展及互相滲透，LED照明進(jìn)入了智能控制時(shí)代。

【關(guān)鍵詞】智能綠色；LED；照明；技術(shù)；應(yīng)用

一、LED照明技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

第一，具有很高的發(fā)光效率是LED照明技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)。和其它照明商品比較，這項(xiàng)新技術(shù)的熱損耗很低、電能利用率較高。它的光效可到達(dá)200流明/瓦，并且是一種牢靠又安全的冷光源。LED照明技術(shù)還具有光色溫文、光線單色性好等特色，一起它還沒(méi)有閃耀和炫光，可以極好的保護(hù)人的視力。第二，動(dòng)力消耗低是LED照明技術(shù)的特色之一，直流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是這項(xiàng)技術(shù)的核心，它的單管功率、驅(qū)動(dòng)電壓都在很大程度上比其它商品低，并且亮度高。和其它的照明商品比較，LED燈大大的節(jié)省了照明能耗，它的能耗是白熾燈的12%，是熒光燈的50%，動(dòng)力消耗量具有明顯性優(yōu)勢(shì)。第三，LED照明技術(shù)具有很強(qiáng)的環(huán)保性。由于這項(xiàng)技術(shù)和一般照明設(shè)備比較，其發(fā)光原理是不一樣的，所以LED照明技術(shù)根本不會(huì)有光照強(qiáng)度衰弱、熱沉積等表象發(fā)作。而且LED照明器件自身分量很輕、體積很小，是選用環(huán)氧樹(shù)脂裝封的，所以在高強(qiáng)度的沖擊后也不會(huì)發(fā)作損壞。就正常的狀況來(lái)說(shuō)，這種照明技術(shù)的壽數(shù)是其它燈具商品的5到10倍，很大程度下降了照明器件的保護(hù)費(fèi)用及保護(hù)難度，且對(duì)資料的損耗也下降了。除此之外，這種技術(shù)的節(jié)能作用是非常好的，把它運(yùn)用到日子的每一個(gè)旮旯，能下降體系的能源消耗，完成節(jié)能減排。

二、LED照明主要技術(shù)問(wèn)題

（一）LED光源的光學(xué)特性

目前使用的LED照明光源，絕大部分采用的是450nm左右的藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉而產(chǎn)生的白光。熒光粉的配比和顆粒大小是影響白光LED的關(guān)鍵材料，它同時(shí)決定了光譜特性，也影響到成品的色溫和光效。白光LED的光譜特性、顯色指數(shù)和光效與YAG熒光粉、驅(qū)動(dòng)電流相關(guān)，改變其中任意一項(xiàng)，都可以改變它的色溫，其光譜特性曲線也會(huì)發(fā)生變化。一般情況下，LED照明生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)，按照所需色溫不同，選擇不同配比的YAG熒光粉，生產(chǎn)不同色溫的LED照明產(chǎn)品。

色溫為3000K、4500K和6500K的白光LED光譜特性如圖4所示，這三份測(cè)試報(bào)告給出了LED的光譜特性曲線、CIE1931的色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)、光通量等光學(xué)參數(shù)。從圖中可以看出，450nm左右的藍(lán)光與550～600nm左右的綠-黃光相對(duì)輸出能量比例逐步提高，圖4（a）所示產(chǎn)品3000K色溫的顯色指數(shù)71.2，光效88.54lm/W；圖4（b）所示產(chǎn)品4500K色溫的顯色指數(shù)75.7，光效79.89lm/W；圖4（c）所示產(chǎn)品6500K色溫的顯色指數(shù)78.9，光效92.4lm/W。從這一組試驗(yàn)產(chǎn)品測(cè)試情況看，顯色指數(shù)最高的為6500K色溫產(chǎn)品；光效最高的也為6500K產(chǎn)品。而顯色指數(shù)最低的為3000K色溫產(chǎn)品，光效最低的是4500K測(cè)試樣品。從這一組數(shù)據(jù)看，與經(jīng)驗(yàn)值有所不同，按照以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，色溫高的產(chǎn)品，光效應(yīng)該也高，色溫低的產(chǎn)品光效應(yīng)該相對(duì)較低。但是這一組測(cè)試參數(shù)則與通常的經(jīng)驗(yàn)值有差異，說(shuō)明LED光源的情況與傳統(tǒng)光源不同，熒光粉的顆粒粗細(xì)程度、電流驅(qū)動(dòng)大小等都與光學(xué)參數(shù)相關(guān)，每一細(xì)小的變化都會(huì)影響到最終參數(shù)。雖然這是一個(gè)特例，但是，這一情況說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，即產(chǎn)品的質(zhì)量與價(jià)格的關(guān)系，LED照明產(chǎn)品的原材料質(zhì)量越高，其發(fā)光質(zhì)量也越高，但其價(jià)格成本也越高。

為了進(jìn)一步了解LED照明的特性，我們對(duì)部分照明用LED光源進(jìn)行光輸出能量與色溫關(guān)系的分析，色溫的選定參照CIE1931色度圖標(biāo)出的8個(gè)色溫點(diǎn)，分別為2700K白熾燈色（TungstenLight）、3000K暖白色（WarmWhite）、3500K白色（White）、4000K冷白色（CoolWhite）、4500K、5000K中性白色（MiddleWhite）、5700K、6500K日光色（Daylight）（其中4500K和5700K是目前較常用的白光LED光源色溫），每種色溫的LED抽取5個(gè)檢測(cè)樣本，共計(jì)40個(gè)。根據(jù)我們對(duì)這些不同色溫的LED照明測(cè)試樣本，得到光輸出能量與色溫的關(guān)系如圖5所示。從圖5我們可以看到，同樣功率的LED照明產(chǎn)品，隨著色溫的提高，光輸出能量也有所提高，雖然從散點(diǎn)圖看，2700～5000K段有所波動(dòng)，但總體為逐步增加趨勢(shì)。由于被測(cè)樣本來(lái)自同一企業(yè)，且并非同一批次產(chǎn)品，所以有所波動(dòng)屬正常情況，這張圖同時(shí)也間接驗(yàn)證了材料和其他因素對(duì)光效的影響。

（二）散熱問(wèn)題

由于LED的發(fā)光效率較高，幾乎不產(chǎn)生熱能，所以被人們俗稱為“冷光源”。但這并不意味著LED發(fā)光時(shí)不產(chǎn)生熱量，當(dāng)電流通過(guò)LED的PN結(jié)時(shí)，同樣要產(chǎn)生熱量，這部分熱量不隨著所發(fā)出的光向外輻射，只聚積在PN結(jié)上，在專業(yè)術(shù)語(yǔ)上稱之為“結(jié)溫”。由于LED的PN結(jié)很小，工作時(shí)電流密度大，用于照明時(shí)，一盞LED照明燈往往需要多顆乃至數(shù)十顆、上百顆LED組合而成，這就導(dǎo)致LED芯片發(fā)熱高度集中，如果熱量不能很好地導(dǎo)出，就會(huì)導(dǎo)致熱量堆積，結(jié)溫上升。

LED照明光源所產(chǎn)生的熱量雖然小于傳統(tǒng)光源所產(chǎn)生的熱量，但是仍然有很大一部分轉(zhuǎn)換為熱量，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析20W以下的LED照明產(chǎn)品大約70%～75%的電功率轉(zhuǎn)換為熱能，對(duì)于大功率LED照明燈，大約70%的功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并且發(fā)熱集中，導(dǎo)致PN結(jié)溫度急劇升高。發(fā)熱量與色溫的關(guān)系如圖6所示。

結(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致光輸出減少，根據(jù)OSRAM等廠商提供的特性曲線，LED的結(jié)溫超過(guò)80℃，發(fā)光效率降至90%，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)使芯片加速老化，縮短器件壽命。在發(fā)熱的同時(shí)，發(fā)光二極管的光譜隨著結(jié)溫的上升，向長(zhǎng)波方向漂移，色溫發(fā)生變化，如圖6所示。如果考慮實(shí)際應(yīng)用中結(jié)溫對(duì)色溫漂移的不良影響，散熱設(shè)計(jì)要對(duì)最高結(jié)溫進(jìn)行限制。為了保證LED的使用壽命、光譜特性及光衰等，需要將LED的結(jié)溫控制在80℃以下。

散熱問(wèn)題的解決措施

①對(duì)LED采用了散熱器，但LED連線的接線端子及散熱器的設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到1P45及以上等級(jí)，無(wú)法滿足GB7000.5/1EC6598-2-3標(biāo)準(zhǔn)的要求。

②采用普通的道路燈具外殼，在燈具出光面內(nèi)用矩陣式LED，這種設(shè)計(jì)雖說(shuō)能滿足1P試驗(yàn)，但是由于燈具內(nèi)的不通風(fēng)會(huì)造成在工作時(shí)，燈具內(nèi)腔的溫度會(huì)升高到50一80度，在如此高的工況下，會(huì)影響LED的發(fā)光效率和使用壽命。

③在燈具內(nèi)采用了儀表風(fēng)扇對(duì)LED及散熱器進(jìn)行散熱，其進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)在燈具的下方.以避免雨水的進(jìn)人.出風(fēng)口設(shè)計(jì)在下射LED光源的四周，這樣也能有效避免雨水的進(jìn)人。

另外，散熱器和LED光源腔不處于同一空腔內(nèi)，這種設(shè)計(jì)按燈具的IP試驗(yàn)要求，能順利通過(guò)。這一方案，不僅解決了LED的散熱問(wèn)題，而且同時(shí)滿足了1P等級(jí)的要求。但是這種設(shè)計(jì)實(shí)際上存在明顯的不合理情況。

因?yàn)樵谖覈?guó)絕大多數(shù)道路燈具的使用場(chǎng)合，空中的飛塵量是較天的，有時(shí)會(huì)達(dá)到很大（如起沙塵暴），這類燈具在一般條件下使用一段時(shí)間后（約三個(gè)月至半年），其內(nèi)部散熱器的縫隙內(nèi)就會(huì)塞滿灰塵，使散熱器的散熱性能下降，最后還會(huì)使LED因工作溫度過(guò)高而使用壽命明顯縮短。

LED路燈燈具的設(shè)計(jì)要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護(hù)，較合理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是：在關(guān)鍵的散熱位置，采用導(dǎo)熱板。導(dǎo)熱板是在金屬板的內(nèi)部，均布有供冷媒介流動(dòng)的細(xì)導(dǎo)I管，并在細(xì)導(dǎo)管內(nèi)充有冷媒介，當(dāng)導(dǎo)熱板的某一部位受熱時(shí)，細(xì)導(dǎo)管內(nèi)的冷媒介會(huì)快速流動(dòng)而使熱量迅速地傳導(dǎo)。好的導(dǎo)熱板的熱導(dǎo)率可以達(dá)到同厚度銅材板的8一12倍，但成本會(huì)較高。目前大部分的道路燈具外殼是鋁材的，直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護(hù)等級(jí)的要求，也可以得到很大的散熱面積。

另外，燈具外殼組成的散熱器在有落塵時(shí)，可以通過(guò)自然的風(fēng)雨而沖洗，從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性。

（三）結(jié)溫問(wèn)題

1、產(chǎn)生LED結(jié)溫的原因有哪些？

在LED工作時(shí)，可存在以下五種情況促使結(jié)溫不同程度的上升：

a、元件不良的電極結(jié)構(gòu)，視窗層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構(gòu)成LED元件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過(guò)P—N結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過(guò)這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結(jié)溫的升高。

b、由于P—N結(jié)不可能極端完美，元件的注人效率不會(huì)達(dá)到100%，也即是說(shuō)，在LED工作時(shí)除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（空穴）外，N區(qū)也會(huì)向P區(qū)注人電荷（電子），一般情況下，后一類的電荷注人不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會(huì)全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合，最終也會(huì)變成熱。

c、實(shí)踐證明，出光功率的約束是致使LED結(jié)溫升高的主要原因。當(dāng)前，領(lǐng)先的資料生長(zhǎng)與元件制作技術(shù)已能使LED極大大都輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，但是因?yàn)長(zhǎng)ED芯片資料與周圍介質(zhì)比較，具有大得多的折射係數(shù)，致使芯片內(nèi)部發(fā)生的極大多數(shù)光子（>90%）無(wú)法順暢地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面發(fā)生全反射，回來(lái)芯片內(nèi)部并經(jīng)過(guò)屢次內(nèi)部反射終究被芯片資料或襯底吸收，并以晶格振蕩的方式成為熱，促進(jìn)結(jié)溫升高。

d、明顯，LED元件的熱流失才干是決定結(jié)溫凹凸的又一個(gè)要害條件。散熱才干強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫降低，反之，散熱才干差時(shí)結(jié)溫將上升。因?yàn)榄h(huán)氧膠是低熱導(dǎo)資料，因而P—N結(jié)處發(fā)生的熱量很難經(jīng)過(guò)通明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大多數(shù)熱量經(jīng)過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。明顯，有關(guān)資料的導(dǎo)熱才干將直接影響元件的熱流失功率。一個(gè)普通型的LED，從P—N結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到600℃/w之間，對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30℃/w。無(wú)窮的熱阻區(qū)別標(biāo)明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才干正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級(jí)乃至更高。

2、降低LED結(jié)溫的途徑有哪些？

a、減少LED本身的熱阻；

b、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；

c、減少LED與二次散熱機(jī)構(gòu)安裝介面之間的熱阻；

d、控制額定輸入功率；

e、降低環(huán)境溫度

LED的輸入功率是元件熱效應(yīng)的唯一來(lái)源，能量的一部分變成了輻射光能，其餘部分最終均變成了熱，從而抬升了元件的溫度。顯然，減小LED溫升效應(yīng)的主要方法，一是設(shè)法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率（又稱外量子效率），使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高元件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過(guò)各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。

（四）LED壽命問(wèn)題

據(jù)文獻(xiàn)介紹，LED的壽命可達(dá)5萬(wàn)小時(shí)，其次高光效和全彩色顯示等特點(diǎn)吸引著設(shè)計(jì)師的注意，并因具有突破傳統(tǒng)光源的照明方式而為整個(gè)燈具批發(fā)市場(chǎng)帶來(lái)了新的市場(chǎng)前景機(jī)遇。然而LED光源并非像大多時(shí)候宣傳和描述的完美，還存在多種待解決的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)。尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)以LED為光源的高性能燈具時(shí)，就需要考量光學(xué)設(shè)計(jì)，散熱設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)多方面間的配合才能完全地發(fā)揮出LED自身發(fā)光的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。下面將從LED燈具的散熱、電源、LED光源、驅(qū)動(dòng)器四個(gè)方面詳細(xì)介紹如何提高LED燈具壽命以及亮度。

1、芯片質(zhì)量，LED芯片是光源的核心部件，影響芯片質(zhì)量有晶格缺陷、封裝工藝及熒光粉的質(zhì)量；

A：一種是電極與發(fā)光材料為歐姆接觸，但接觸電阻大，主要由材料襯底低濃度或電極缺損所致。

B：一種是電極與材料為非歐姆接觸，主要發(fā)生在芯片電極制備過(guò)程中蒸發(fā)第一層電極時(shí)的擠壓印或印，分布位置。

另外封裝過(guò)程中也可能造成正向壓降變，主要原因有銀膠固化不充分，支架或芯片電極沾污等造成接觸電阻大或接觸電阻不穩(wěn)定。正向壓降變的芯片在固定電壓測(cè)試時(shí)，通過(guò)芯片的電流小，從而表現(xiàn)暗點(diǎn)，還有一種暗光現(xiàn)象是芯片本身發(fā)光效率低，正向壓降正常。

（四）燈具配光

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，白光LED照明產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)人員已經(jīng)將照明用大功率LED結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖8）進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)一次配光產(chǎn)生一定的光束角，再根據(jù)LED光源一次配光所產(chǎn)生的光束，對(duì)燈具進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行二次配光，最終使光束角得以擴(kuò)大。

以國(guó)內(nèi)某照明生產(chǎn)企業(yè)的廣罩型大功率LED燈為例，經(jīng)過(guò)燈具的二次配光，其燈具的配光曲線也與傳統(tǒng)光源配光曲線不相上下，光束角已經(jīng)達(dá)到120°，基本滿足高大空間的LED照明要求。

對(duì)于辦公常用照明光源，用LED支架熒光燈取代傳統(tǒng)支架熒光燈的案例已屢見(jiàn)不鮮。目前采用的方式是利用原有支架熒光燈具，取消鎮(zhèn)流器、改造電路后直接使用。這種方式可以降低成本，減少費(fèi)用支出，但是在對(duì)光源要求較高的場(chǎng)合，照度的均勻度效果不夠理想。為了找出解決這一問(wèn)題的方案，我們用傳統(tǒng)熒光燈和LED支架熒光燈進(jìn)行照度的均勻度對(duì)比測(cè)試。測(cè)試時(shí)考慮到目前尚無(wú)針對(duì)支架熒光燈所設(shè)計(jì)的燈具，為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，無(wú)論是傳統(tǒng)光源還是LED均采用簡(jiǎn)易式燈具，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

從圖9（a）曲線可以看出，在1.6m高度情況下，LED支架熒光燈中心的照度要高于1.95m處照度1.5倍以上，且隨著高度的升高，均勻度提高，達(dá)到3m高度時(shí)，基本處于均勻狀態(tài)。LED支架熒光燈在經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)后，解決了很大一部分初期產(chǎn)品的指向性問(wèn)題和眩光問(wèn)題，但是由于LED發(fā)光二極管的本身特性，在保證高光效和節(jié)能的前提下，指向性問(wèn)題無(wú)法全部消除。在1.95m高度情況下，中心照度與邊緣照度相差40lx左右，雖然人眼很難識(shí)別，但不可能完全達(dá)到傳統(tǒng)熒光燈的無(wú)指向性水平，且垂直高度低于2m情況下更為明顯。

以18W普通熒光燈作為對(duì)比，測(cè)試方式與LED熒光燈的測(cè)試方式相同。圖9（b）從普通照明實(shí)際使用情況分析，無(wú)論是在辦公場(chǎng)合還是商廈的普通照明，其垂直空間均在2m或2m以上，且不可能僅安裝單只熒光燈，燈與燈之間的間隔一般在2m左右，因此會(huì)有一個(gè)互補(bǔ)。在不考慮燈具的情況下，以1.95m高度為例，無(wú)論是LED還是傳統(tǒng)熒光燈，在與中心軸垂直1m處的照度與中心點(diǎn)照度差值均在15lx左右，利用燈與燈的照度互補(bǔ)，LED可以達(dá)到傳統(tǒng)熒光燈照度的均勻水平。

圖9傳統(tǒng)熒光燈和LED支架熒光燈照度均勻度對(duì)比測(cè)試

如果照明的空間較低，均勻度的提高會(huì)有一定的難度。需要靠二次配光技術(shù)來(lái)解決，甚至需要改變LED支架熒光燈的發(fā)光結(jié)構(gòu)。但這種情況在實(shí)際應(yīng)用中很少出現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

在智能控制LED照明廣闊的市場(chǎng)需求條件下，其發(fā)展趨勢(shì)是將相互兼容的品牌產(chǎn)品集中在一起得到合理應(yīng)用，使照明行業(yè)走向以智能控制為導(dǎo)向的市場(chǎng)引領(lǐng)，讓智能控制與新光源結(jié)合，創(chuàng)造1種嶄新的高技術(shù)和高科學(xué)思想含量的照明文化。

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