LED灯新型节能技术

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1、1. 综述照明作为人类社会发展过程中不可或缺的元素，对人类文明及社会 的进步起着至关重要的作用1879 年，爱迪生发明了白炽灯，使得人类社会 摆脱了漫长的火光照明时代，开始由此进入到了电光照明时代。从此，人类 照明的历史翻开了崭新的一页。随后，以爱迪生为代表的科学家对白炽灯进 行了数次的改进，白炽灯的寿命得到了巨大的提升。在很长时间之内，以白 炽灯为代表的第一代光源都在照明控制域占据支配地位.但是，白炽灯低效 的电能转化率，使得绝大部分的电路转换为了热能。各国科学家在很长的时 间之内，都在寻找新的高效的照明设备来替代传统白炽灯。直到 1938 年， 美国通用电子公司的伊曼，在经过了坚持不懈的研

2、究试验以后，终于发明制 造了第一盏荧光灯.相比白炽灯，荧光灯节能效果较好,但相同亮度下,相比 LED 灯具1，荧光灯需要多消耗一倍的功率，发光效率低;而且荧光灯里都 含有汞，生产过程和废弃灯管都会对环境造成污染。因此，寻找新的高效无 污染的照明光源始终是社会各界的共同诉求。直到上世纪的 60 年代，第一 只半导体发光二极管的发明,重新点燃了人们对新光源的希望。作为一种全 新的照明技术，以半导体材料作为发光材料的二极管，能够直接将电能转变 为光能.这种发光二极管相对于之前的灯具,具有很多的优点：发光效率高、 节能环保和寿命长.因此，该项发明称作是照明领域的又一项伟大的发明.1996 年，日本日亚

3、化学公司发明了能发出白光的发光二极管，开启了 LED 迈入照明市场的序幕。 LED 被称为第四代绿色照明光源,具有寿命较 长、节能环保、色彩丰富等优点，因此，广泛的应用在社会的各个方面。特 别是进入二十一世纪以来，全球能源日益短缺，各个国家都在寻求新的更高 效的节能方式，而在照明控制领域，节能更显得尤为重要.照明领域是世界 上第二大用电的领域，大约占总用电量的 19%,而我国照明领域用电量占全 国总的用电量的13%左右2。因此，推广节能环保的LED灯具具有重大的 实际意义3， LED 灯具必然是未来发展的方向之一。 进入二十一世纪以 来，世界各国政府组织相应推出各种政策和计划，加大力度发展LE

4、D照明产 业。在2000 年,美国就在新开展的“国家半导体照明计划”中，投入五亿美 元。同年7月，欧盟也相应的展开了“彩虹计划，来发展LED照明产业。 2003 年6月，将发展半导体照明产业列入到了“863”发展计划之中.2011 年3月，我们国家在“十二五规划纲要”中更是提出全新发展目标,对生产 总值能耗和二氧化碳的排放量都提出了目标要求，分别降低16%和17%4.这些政策、措施和计划，无疑都在很大程度上促进了 LED 照明产业的发 展和进步。特别是,在今年国庆节之前，国家发改委公布的关于加大工作 力度确保实现2013年节能减排目标任务的通知，更是明确的提出以后的绿 色照明补贴将从传统的荧光

5、灯，转为更高的LED等照明产品】5。所以，这 个政策的提出，明确的指出了节能减排与LED照明产业发展的紧密联系，未 来照明产业向LED节能产品方向发展的目标。照明行业发展到现在，所经历的几次转变，都是以更高的发光效率，从 而更加的节能环保为最终目标。除了节能环保的特点之外，LED照明还能够 以其丰富的发光效果,与家具等完美的结合到一起,从而给人们带来更加有创 意的照明效果.特别是近几年，电子信息技术和互联网技术的快速发展，传 统开关方式的照明技术以及不能满足人们更高的需求,人们开始追寻更加时尚、更加智能的照明控制方式.因此，未来的照明产业的发展，不只是体现 在 LED 节能环保方面，而是追求将

6、 LED 节能与智能化照明相结合，将通 信、传感以及物联网等现代化技术融合到其中，真正实现 LED 智能化控 制。2. LED 灯的技术调研2。1 工作原理led (Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可 以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端在一个 支架上,一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装 起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主 导地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接 起来的时候，它们之间就形成一个“PN结”当电流通过导线作用于这 个晶

7、片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就 会以光子的形式发出能量,这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的 颜色，是由形成 PN 结的材料决定的。2.2 LED 灯驱动电源结构LED 灯由于其特性，必须要工作在恒流状态或近似恒流状态，即必须要 加适当的驱动电源，将 220 V 市电变换成输出为低压且隔离/非隔离的恒定 电流，以满足 LED 的工作要求。由于 LED 灯的功率一般为几瓦至一二十瓦， 功率不大，因此其驱动电路也较为简单,一般为 BUCK 降压型非隔离型恒流电 源或单端反激恒流型隔离驱动电源，大部分不进行功率因数校正(no。6) 或采用无源功率因数

8、校正(逐流式,n0.9)，具体电路简化原理见图5所 示,说明如下：图 5a 给出的为 BUCK 降压型非隔离式开关恒流源。电路的原 理为: 220 V 交流市电经过全桥整流器 FB 和电容 C1 滤波后，输出为具有一定 纹波的直流，并加到高频恒流变换电路上.开关管 V 在 PWM 控制器的作用下 有规律的导通和截止。其导通时电流经电感 L 加到 LED 串上，呈逐步增大的 趋势。当电流达到设定上限值时( IF) ， V 截止.由于 L 的作用，电流经二极管 D、LED 串继续流动，并逐步减小。当减小到设定的下限值时， V 又开始导 通，经行新的循环。其中，电阻 R 的作用是进行 IF 检测,并

9、反馈到控制器， 来调整其输出的脉冲宽度; 电容 C2 的作用是减小 LED 串电流的波动。图 5b 给出的为单端反激型隔离式开关恒流源。图 5 LED 灯的驱动电路原理电路的 一般原理为:220 V 交流经过全桥整流器 FB 整流和电容 C1 滤波变为直流 后，加到高频恒流变换电路上。开关管 V 在 PWM 控制器的作用下有规律 地导通和截止。当 V 导通时电流呈逐步增大的趋势，加到隔离变压器 T 原 边上，将能量储存在 T 内。此时由于 D 的反向作用， T 的副边没有电流输 出， LED 串的电流 IF 由 C2 提供； 当 V 关断时， T 的副边电压极性翻转,通过 D 输出电流给 C2

10、 和 LED 串.电阻 R 的作用是进行 LED 串的电流检测,并反馈 到控制器,来调整其输出的脉冲宽度。具体是: 当 IF 达到设定下限值时，通 过电流检测和误差放大，并与设定值比较,使得 PWM 控制器的输出脉冲宽度 增大，反之则减小，如此反复循环,使得 IF 保持相对恒定状态6。LaR1C2220V AC220VACLEDLED串FIXpn图 2-1 LED 结构图2.3 LED 灯智能照明控制相关协议介绍LED 智能照明控制相关技术的快速发展，使得照明控制领域由传统照明 进入到新型的智能化照明控制的时代.智能化照明控制的快速发展，得益于 用户益增长的需求,而用户的需求主要体现在以下两个

11、方面：一是，可以节 约能源，降低照明控制系统的整体运行和维护成本;二是,将照明灯具统一起 来，便于维护和管理，从而营造更加舒适的照明效果。 智能化照明控制系 统发展，需要多种技术相融合共同发展，包括总线技术、网络技术以及通信 技术等.为了使所开发产品和系统拥有更广阔的应用空间、降低维护成本,实 现和其它产品实现无缝连接,就不得不提现阶段流行的一些能够应用到智能 照明控制领域的相关控制协议7。国际上和智能照明控制相关的技术标准 或者控制协议，可以说非常多,而且分类也不尽相同。一方面，智能照明控 制系，按照是否有线，可以分为有线传输方式和无线传输方式，而无线传输 方式，又可以分为红外遥控方式8和无

12、线遥控方式9等控制方式。但是， 由于一般无线控制在传输过程中增加了对传输编码的特殊要求,因此，要统 一相互之间的协议就显得比较困难。另一方面，按照协议的开放性又可以分 为封闭协议和开放协议两类10，封闭协议中比较流行的有 CBus 协议和 DyNet协议；开放协议中代表的有EIB和DALI等。2.4 LED 的使用优点（1）应用灵活：LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所 以体积非常小,重量非常轻，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做 成点、线、面各种形式的具体应用产品。（2）发光效率高:光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到 80% 之多.而白炽灯可见光效率仅为 20。

13、（3）光线质量高：光谱中没有紫外线和红外线,故没有辐射，属于典型 的绿色照明光源.（4）能耗小：功率小，浪费少。以其作为光源，在同样亮度下耗电量 仅为普通白炽灯的 1/8 左右。（5）寿命长：一个半导体灯的标准寿命是 10 万小时，正常情况下可 以使用 50 年.（6）可靠耐用:没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很 小，维护费用极为低廉。（7）安全：工作电压大致在 224V 之间,低于人体的安全电压。（8）响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。白炽灯的响应 时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。（9）绿色环保：可回收,没有污染,不像荧光灯一样含有汞成分.2.5 LED 的使

14、用缺点（1）单个功率低:市面上的单体LED功率一般在5W以下,还没有出现更 大功率的LED，这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈。目前飞利浦、 通用电气、奥斯兰等国际巨头具备高功率HID光源的技术，大部分地区均仍 是技术空白.（2）使用环境要求高，需要严格控制温度:LED是一种半导体材料，与 普通二极管一样具有 PN 结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与 功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，温度过高会直接影响 LED 的寿 命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。（3）显色指数低：在 LED 照射下显示的颜色没有白炽灯真实.（4）在个别专业领域里仍存在满足其光源需求的

15、技术性难关。（5）制造成本较高， LED 要成为未来照明的主流光源，必须要技术革 新降低成本，市场才有可能突破。3. LED 灯的运用需要面对的技术问题LED 虽然有很多优点，但是也存在着许多不足和技术问题有待进一步改 进和解决，下面从几个方面对之进行了讨论。3.1 大功率 LED 技术LED 存在静电释放损害和热膨胀系数等效能瓶颈和散热问题，使其功率 不能做得很大，亮度低。目前常用的性能比较稳定的大功率 LED 芯片是 1W和3W.可以通过集成芯片提高LED功率，但现在技术还不成熟，主要是 需要解决散热问题.也可以通过多珠LED的串、并联或混联实现大功率LED 灯具。后两种效率较低，用的较少

16、，多珠LED串联是目前LED灯具在照明领 域应用的主流。但是单珠串联有个致命弱点，一颗损坏,整路不通.这是制约 大功率LED灯具在照明领域应用的一大瓶颈。提高LED灯具的功率，一是 从芯片方面提高功率，另一是优化电路设计提高功率.3。2 散热技术温度是影响 LED 的一个重要因素,温度升高会使 LED 的光衰减加快，而 芯片结点处的温度直接影响LED的寿命，所以LED散热能力的强弱限制了 LED的功率大小.LED内部的热量主要由LED芯片和印刷电路板工作时产生, 对于小功率LED，通过自然传导对流的方式就可以把热量散发出去，但对于大 功率 LED 就要考虑多方面散热。在散热设计上，通常从 LED 封装散热、电 路板散热和增加散热部件等方面考虑.用导热性能好的硅树脂封装，印刷电 路板上采用导热绝缘层、金属基层等。