LED照明技术的应用

李厥富

(山东电子职业技术学院,山东济南 250200)

LED照明技术的应用

李厥富

(山东电子职业技术学院,山东济南 250200)

LED技术的发展进步,特别是白光LED的研制成功,使得LED照明进入日常照明市场成为一种可能。LED照明具有发光效率高,使用寿命长,体积小,低污染等优点,随着科学技术的提高和国家“绿色照明”政策的实施,LED照明器件的成本不断降低,将来一定会取代白炽灯、日光灯等传统照明灯具,成为照明市场的主流。

白光LED LED照明 电路结构 能效分析

1 LED照明技术简介

LED即发光二极管，是一种半导体发光器件。自20世纪60年代，红色LED研制成功以后，LED发光技术经过近半个世纪的发展，科研人员解决了白光LED的发光技术问题。白光LED发光原理主要有两种，一种是由460nm的蓝光和555nm的黄光二原色混合形成白光；另一种是由红绿蓝三原色混合形成白光。技术实现上有单芯片和多芯片。

随着白光LED研究技术的不断进步，通过调整各原色混合比例，可以获得3500K至10000K色温的白光来满足不同场所的照明需求，使得LED照明进入日常照明成为一种可能。

LED具有发光效率高，使用寿命长，体积小，低污染等优点。现阶段LED照明器件成本比较高，相信随着LED研究水平和生产技术的改进提高，LED照明器件成本将越来越低，未来一定会取代白炽灯、日光灯等传统照明灯具，成为照明市场的主流。

2 LED照明电路结构设计分析

LED照明器件核心是PN结，工作电压通常在3-4.5V之间，由于PN结是电流型器件，具有负温度系数，因此LED照明器件的供电电路需要满足低电压和恒流输出，通过对其工作电压和电流进行控制调整，防止温度升高后电流变大烧毁LED照明器件。精确控制LED工作电压电流，使得LED照明器件工作在设计典型状态(最佳状态)，保持较高的发光效率，可有效提高能源利用率，节约能源。

下面就几种LED照明电路结构做简单介绍。

2.1 AC-DC照明电路

我国照明用电是220V交流电，而LED照明器件一般使用低压直流电压供电，因此必须经过转换才能给LED供电，通常使用效率较高的开关电源作为AC-DC转换部件。日常照明的灯具更换和升级改造多使用这种方式。小功率灯具可以将开关电源集成在LED照明灯具内，直接替换原有灯具即可，安装方便，性能可靠。大功率灯具的电路转换部分可以与LED照明器件分体安装，方便散热，提高使用寿命。其典型电路结构如(图1)。

图1

2.2 DC-DC照明电路

DC-DC照明电路多见于太阳能-LED照明系统。常用在新建照明系统或照明系统的升级改造。太阳能电池的技术进步使太阳能转换效率不断提高，利用太阳能驱动LED实现日常照明可以有效节约不可再生能源，是“绿色照明”的发展方向。虽然太阳能电池的输出电压是直流电压，但会随着阳光照射角度和强度的变化输出电压发生改变，需要对太阳能电池的输出进行转换调整，使之满足LED照明供电条件。典型DC-DC电路结构如(图2)。

图2

2.3 LED照明的电流控制电路

由于LED是非线性器件，具有负温度系数，随着温度升高，工作电流不断增大，如果不控制工作电流，会烧毁LED器件。在LED照明电路中必须采取措施对电流进行控制调整。通常采取串联分压电阻形式对电流进行控制调整，成本低，结构简单，调整精度不高。在要求较高的照明电路中可采取恒流源供电，对LED工作电流精确调整，成本较高，电路复杂。

本文仅讨论串联电阻分压电路的计算和控制过程(如图3)。

图3

图4 先串后并混联

(1)电阻R的确定。

电阻R的值由电源电压、LED典型工作电压和LED的典型工作电流确定。

R=(V电源-VLED)/ILED

(2)电流控制过程分析。

LED导通后随着PN结温度升高，流过LED的电流增大，电阻R分压(VR=ILED*R)增大，电源电压(V电源)不变，使LED两端电压(VLED=V电源-VR)降低，流过LED的电流降低，从而基本保持LED工作电流不变。

2.4 LED在照明电路中的联接方式

LED的连接方式有并联方式，串联方式和混联方式。由于单个LED器件导通电压很低，全部采取并联方式将照明LED器件与直流电源相连，实际应用中会产生较大工作电流，线路损耗较大，降低能源使用效率。串联方式联接LED器件可以解决并联方式的缺陷，但

图5 先并后串混联

会要求驱动电压较高，并且会因为单只LED断路损坏影响整个回路的LED工作，造成照明故障。混联方式可有效解决并联和串联的问题，常见的有先串后并和先并后串方式，是LED器件的常用联接方式。(图4、5）为3串3并混联和3并3串混联电路示意图。

(1)先串后并混联方式：此种方式能保证每串中的LED工作电流相同，光强亮度一致性好。多只串联的LED之间还互相起到限流调整作用， LED工作电流保持稳定。缺点是单只LED损坏会造成本串整体不发光。

(2)先并后串混联方式：此种方式对LED发光器件参数一致性要求较高，不然会因并联的LED工作电流不同形成LED亮度不一致；单只LED损坏也会因电流分流路数不同造成LED亮度不一致。为防止PN结负温度系数效应烧毁并联的LED，宜在每个LED中串联一个限流电阻。

3 LED照明能效分析

普通白炽灯光源效率只有8-24lm/w，现在普遍使用的日光灯光源效率也只有50-80lm/w，而现阶段LED光源效率可达到100-200lm/w。通过比较可以发现LED照明比白炽灯减少能耗90%左右，比日光灯减少能耗50-60%，LED还具有寿命长、体积小、无污染、响应速度快、可控性高等诸多优点。以LED照明代替传统照明，实现“绿色照明”，是大势所趋，是照明市场的发展方向。

4 国家政策,市场前景

按照国家“中国绿色照明工程”发展计划安排，白炽灯将于2016年基本退出市场，日光灯因含有汞等剧毒物质不符合现代环保理念，也必将被市场慢慢淘汰。科学技术的发展没有止境，LED照明灯具必将随着科学技术的不断发展，解决LED器件显色性、光谱离散、大功率器件散热等问题，市场单位成本逐步降低，成为照明市场的主流。

[1]国家对高能耗照明产品的市场推出已经有明确时间表.

[2]周志敏,纪爱华.LED照明电路设计100例.

[3]周志敏,纪爱华.太阳能LED照明技术与工程应用.

[4]陈传虞,刘明,陈家桢.LED驱动芯片工作原理与电路设计.