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LED照明灯具进展概况
LED照明灯具进展概况
自高亮度白光LED问世后,由于它具有发光效率高节电成效好,而且无污染、寿命长的特点,在照明应用上受到各国的重视。
用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着,取得了一些功效。
那个地址举几个实例。
1.采纳白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯(CCFT)。
由于驱动白光LED有电路简单、不必正负电源、且效率高、尺寸小的特点,在便携式电子产品中取得极为普遍的应用。
随着白光LED性能的提高,白光LED作背光源的应用不仅用于电话、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产品,目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记本电脑中。
它已成为LED最大用户之一,占LED年产量的30%左右。
2.采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。
由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍,给出的强光可满足相机补光的要求。
驱动LED闪光灯的电路无须高压电源,也没有较长的时间充电的缺点,可获得更多的抓拍机会,并使电池使用时间更长。
图1 LED照明系统结构框图
图2 太阳能光控LED路灯
3.采纳太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。
我国的太阳能电池生产量专门大,2006年已达到370MW,太阳能组件的生产能力已大于1000MW。
这对利用太阳能点亮白光LED灯制造了极为良好的条件。
这不仅用于无电区,一样适合于城镇(在国外,要紧依托大量安装屋顶并网系统来进展太阳能光电产业)。
目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统,其结构框图如图1所示。
在一些城市也采纳太阳能电池、蓄电池及光控电路组成LED路灯,能自动地天黑点亮,天亮关断,其结构框图如图2所示。
利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的,但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。
虽然我国已能生产大量的太阳能电池,但可惜的是95%用于出口,留在国内应用仅5%,目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。
4.采纳白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚,在2004年后很多单位采纳Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡(15W)、15~20W的管灯及40~60W的路灯、投射灯等产品,但并未量产。
在我国南方一些工厂生产出各类1~5WLED灯泡及一些白光LED灯具,但大部份都出口而在国内市场上反而少见。
目前成批生产的替代白炽灯的有:
矿灯、各类手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明灯等。
另外,有一些城市用LED路灯作试点工作,但尚未普及。
用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十分重大的。
北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说:
“如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯,每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总和。
”从目前来看,用白光LED灯取代白炽灯还刚开始,在LED的用户中占很小的比例,不足LED年产量的3%。
发光效率冲破100lm/W
随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改良,使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。
1~5W的白光LED从以前的发光效率为30~40lm/W提高到50~60lm/W,最近又提高到80lm/W。
有一些顶级的发光效率可达100lm/W以上。
例如,Cree公司的一种4W冷白光LED,其光通量分挡,在350mA电流时其最高挡可达107~114lm(其功率为×=,其发光效率为93~99lm/W),典型的发光效率是80lm/W,而进展的目标是200lm/W。
表1列出目前各类灯类的一些要紧参数,从表1中能够看出,在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯,也超过一般荧光灯、紧凑型荧光灯(节能荧光灯),这意味着:
白光LED灯比它们更亮、更节电;而在寿命上那么遥遥领先。
大功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件,目前逐步用1~3W大功率白光LED来取代小功率Φ5白光LED设计LED灯。
用1个到几个(或十几个)LED替代了几十个到几百个小功率Φ5白光LED,不仅增加了亮度、减小了体积,还提高了可靠性、简化了工艺。
例如,采用18个1W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量,若采用白炽灯则需要100W。
另外,用一个65lm的1W白光LED做成的强光手电筒,它可照射几十米远;假设采纳Φ5LED来做那么是不可能做到的。
LED灯难进百姓家
上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高,并开发出应用于各类场合的白光LED灯,但LED灯难进百姓家。
这不是生产上存在什么难题,要紧缘故是白光LED照明灯的发光效率还不太高,而且价钱太贵,使一样百姓家难以同意。
以家庭经常使用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价钱比较目前1W白光LED的单价是8~10元,3W的单价是20~25元(与LED的质量及品牌有关),另外还要驱动电路及结构件。
再考虑生产厂家的利润及商业利润,那么单价可能要120元以上。
从表2能够看出:
9W节能荧光灯的发光效率与LED不同不大,但单价要比一样功率的白光LED灯价钱低十几倍以上。
这是白光LED灯难进百姓家的要紧缘故。
要等到大功率白光LED的价钱降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时,LED灯才能普及,这可能要等几年。
节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时刻(这有质量上的提高及价钱下降的进程),白光LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些(Φ5高亮度白光LED上市时单价大于元,此刻批量单价已降低到~元)。
LED灯路在何方
白光LED照明灯的推行及普及的意义十分重大,但真的要在我国进入百姓家还有很多工作要做,要在技术上(发光效率达到120~150lm/W)、价钱上(要比此刻的价钱降低8~10倍)有重大的冲破,还需要不断的尽力。
白光LED照明灯的推行及普及工作是一项系统工程、重大项目,需要国家的计划、引导及扶持,在政策上及经济上的支持。
我国现在在上海、南昌、大连、厦门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位,他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。
目前LED照明灯虽然还难进百姓家,但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。
这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高,并可降低生产成本。
在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验,有利于将来的推广。
这些应用领域都是用电大户,对节电能起到很大作用。
它们是:
1.城镇街道的路灯系统(包括太阳能路灯系统);
2.隧道及地下停车场(包括地下商场);
3.交通工具的照明(汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯);
4.大的公共场所的LED照明系统,例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等;
5.无电区的LED灯照明工程。
由于LED照明灯一般采用低压直流(恒流)供电。
若采用交流220V市电供电,需要专门的变电装置输出低压直流电(如12V、24V等)并由LED驱动器来驱动LED灯,如图3所示。
所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯,则在建筑设计中都把它设计在内,这要经济得多。
而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明,则改造的费用大、改造的时间长(如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统)。
新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些,费用要高得多,如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。
图3 给LED供变电电路
终止语
LED灯的应用是一个综合技术的应用,它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。
但目前关键技术问题仍是LED的发光效率不够高、生产本钱不够低。
要使LED灯进入千家万户,可能还要等几年。
LEDLamp(led灯)要紧由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。
一、支架:
1)、支架的作用:
用来导电和支撑
2)、支架的组成:
支架由支架素材经过电镀而形成,由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。
3)、支架的种类:
带杯支架做聚光型,平头支架做大角度散光型的Lamp。
A、2002杯/平头:
此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料,其Pin长比其他支架要短10mm左右。
Pin间距为
B、2003杯/平头:
一般用来做φ5以上的Lamp,外露pin长为+29mm、-27mm。
Pin间距为。
C、2004杯/平头:
用来做φ3左右的Lamp,Pin长及间距同2003支架。
D、2004LD/DD:
用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp,可焊双线,杯较深。
E、2006:
两极均为平头型,用来做闪烁Lamp,固IC,焊多条线。
F、2009:
用来做双色的Lamp,杯内可固两颗晶片,三支pin脚控制极性。
G、2009-8/3009:
用来做三色的Lamp,杯内可固三颗晶片,四支pin脚。
二、银胶
银胶的作用:
固定晶片和导电的作用。
银胶的主要成份:
银粉占75-80%、EPOXY(环氧树脂)占10-15%、添加剂占5-10%。
银胶的使用:
冷藏,使用前需解冻并充分搅拌均匀,因银胶放置长时间后,银粉会沉淀,如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。
三、晶片(Chip):
发光二极管和led芯片的结构组成
1)、晶片的作用:
晶片是LEDLamp的主要组成物料,是发光的半导体材料。
2)、晶片的组成:
晶片是采用磷化镓(GaP)、镓铝砷(GaAlAs)或砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等材料组成,其内部结构具有单向导电性。
3)、晶片的结构:
焊单线正极性(P/N结构)晶片,双线晶片。
晶片的尺寸单位:
mil
晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。
其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。
4)、晶片的发光颜色:
晶片的发光颜色取决于波长,常见可见光的分类大致为:
暗红色(700nm)、深红色(640-660nm)、红色(615-635nm)、琥珀色(600-610nm)、黄色(580-595nm)、黄绿色(565-575nm)、纯绿色(500-540nm)、蓝色(450-480nm)、紫色(380-430nm)。
白光和粉红光是一种光的混合效果。
最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。
5)、晶片的主要技术参数:
A、晶片的伏安特性图:
B、顺向电压(VF):
施加在晶片两端,使晶片正向导通的电压。
此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。
VF过大,会使晶片被击穿。
C、顺向电流(IF):
晶片在施加一定电压后,所产生的正向导通电流。
IF的大小,与顺向电压的大小有关。
晶片的工作电流在10-20mA左右。
D、逆向电压(VR):
施加在晶片上的反向电压。
E、逆向电流(IR):
是指晶片在施加反向电压后,所产生的一个漏电流。
此电流越小越好。
因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。
F、亮度(IV):
指光源的明亮程度。
单位换算:
1cd=1000mcd
G、波长:
反映晶片的发光颜色。
不同波长的晶片其发光颜色也就不同。
单位:
nm
H、光:
是电磁波的一种。
波长在-10nm之电磁波称为光。
光可分为:
波长大于称为电波;叫红外光;380nm-760nm叫可见光;10nm-380nm叫紫外光;波长小于10nm的是X线光。
四、金线:
金线的作用:
连接晶片PAD(焊垫)与支架,并使其能够导通。
金线的纯度为%Au;延伸率为2-6%,金线的尺寸有:
、、等。
五、环氧树脂:
环氧树脂的作用:
爱惜Lamp的内部结构,可略微改变Lamp的发光颜色,亮度及角度;使Lamp成形。
封装树脂包括:
A胶(主剂)、B胶(硬化剂)、DP(扩散剂)、CP(着色剂)四部份组成。
其主要成分为环氧树脂(EpoxyResin)、酸酐类(酸无水物Anhydride)、高光扩散性填料(Lightdiffusion)及热安定性染料(dye)
六、模条:
模条是Lamp成形的模具,一样有圆形、方形、塔形等。
支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。
模条需寄存在干净及室温以下的环境中,不然会阻碍产品外观不良。
LED用于照明灯具目前存在的主要问题
一、LED做照明灯具目前存在的问题
称为希望之光的LED,从1964年发明至今,已进展到普及化照明的时期,其节能、环保、亮度高、功耗小、寿命长、耐冲击等优势,前景极为广漠;在室内照明的起步时期,还有其固有的缺点,要紧表此刻以下几方面:
一、不一致性带来的问题:
理论上LED都是能发光的二极管,而事实上所有LED的电性能都是有不同的,每一个厂家的生产工艺是不一致的,乃至相差专门大,确实是同一厂家的不同时刻的工艺都是有不同的;不同厂家利用的半导体原材料的纯度是有差异的,这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同、耐过电流能力和发烧的不同也就自但是然的不同了;封装工艺和封装材料的不同,使得整体的散热能力是不一样的,还有组合材料的热彭胀与散热的问题等。
由此不难看出,LED发光二极管在短时间内仍存在个体之间的专门大的不同,若是每一个灯只用一个LED,好控制。
例如电视机、DVD上的电源指示灯;而当咱们用LED制作照明灯具时,就不是用单个的LED,而是用多个、上百上千个LED成阵列接入电路,因LED的不同总有一个最先损坏,当有几个坏掉时(一般是短路),会使电流增大而损坏其他的LED。
这确实是不一致性带的结果,也是制约其进展的因素之一。
二、驱动电路复杂的问题:
a.在电压匹配方面,LED不象一般的白炽灯泡,能够直接连接220V的交流市电。
LED是2--3.伏的低电压驱动,必需要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯,要配备不同的电源。
b.在电流供给方面,LED的正常工作电流在18mA-20mA,供电电流小于15mA时LED的发光强度不够,而大于20mA时,发生光衰而致使LED老化,同时发烧大增,老化加速、寿命缩短,当超过50mA时会专门快损坏,为了延长LED照明灯的利用寿命,经常使用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等,大电流驱动时,要配大功率管或可控硅器件,另加爱惜电路,要恒流、恒压电路供电,如此电源电路复杂,故障率、元件本钱、生产本钱、效劳本钱都将升高。
这就大大地限制了市场的竞争力与购买群体。
二、LED照明电路的特点:
A、多LED灯的串、并联矩阵结构;B、不需要操纵亮度;C、LED的电流在必然范围转变可不能明显阻碍照度;D、LED损坏的缘故多是电流过大,超过50mA,较小的电压转变引发较大的电流转变。
因此操纵过电流即可,这为电路的简化提供依据。
三、解决问题的方式:
若是用WHPTC过流爱惜器作爱惜,从原理可知,当电路的电流超过规定值时会讯速的自动爱惜,在排除故障后又自动复位,无需人工改换。
对LED而言,电压的转变不是LED损坏的直接缘故,而电流的增大才是LED的真正杀手。
利用那个特性,在LED的电路爱惜上具有绝对的优势,让简易电源供电变成现实。
实践证明,在LED电路显现故障以前就有效爱惜了。
如以下图可见,因有了WHPTC可省去恒流、恒压电路,。
器件本钱、生产本钱、效劳本钱都大大降低。
也大大增加了产品的市场竞争力。
四、型号选择:
可选择WH6-XXX到WH250-XXX的20mA-到-15A中的所需型号。
对LED进行无损爱惜,延长寿命。
例如:
WH250-020用在220V、20mA的LED电路中,当电流超过40mA时,WHPTC在20秒左右爱惜。
专家指点:
WHPTC爱惜时,其续电流使LED继续点亮,只是光暗而不是熄灭,这是其它爱惜电路不具有的优势,若是是干扰电流或电压致使爱惜,那么干扰过去后,LED自动恢复正常点亮,而不需要人工改换或维修。
五、WHPTC系列产品可用于以下的照明、装饰、景观等灯具的电路爱惜:
各类LED日光灯、球泡灯、杯灯、吸顶灯、路桥灯、交通灯、隧道灯、护栏灯、空中探照灯、激光灯、投光灯、庭院灯、地埋、水底灯、墙角灯、地脚灯、幕墙灯、盒灯、迪吧灯、酒吧灯、地砖灯、广场灯、节日灯、工艺灯、线条灯、气车灯等LED灯。
大功率LED技术的进步也使得设计阶段的散热考虑变得越来越重要。
为了避免LED的加速老化,或者最坏情况的完全报废,LED本身不能过热。
一旦大功率LED的发烧效率高于发光效率,输入功率产生热而不发光的比例就超级高。
因此,在设计时期就必需考虑采纳良好的散热来保证LED工作靠得住,而且许诺它在更高的环境温度下也能够工作。
而在选择LED驱动电路时,那么必需考虑器件的散热。
确保LED芯片不致过热的一个重要指标确实是正向电流。
在实际利用中,常常将工作电流设置在一个很低的水平,以确保即便在很高的环境温度下LED也不至于过热。
但是,若是LED的工作电流与温度不相关,就会带来一个专门大的问题:
当温度太高时,LED的工作条件就超出了其标准的要求。
另外,在很低的温度下,供给LED的电流会极大地低于最大许诺电流。
LED驱动电路中的热敏电阻
因此,人们希望操纵LED的驱动电流并使之降低LED额定工作条件。
某些价钱昂贵的LED驱动IC能够实现这种功能,它采纳内部或外部的温度传感器来感知温度并进行反馈操纵。
而咱们那么希望通过在LED驱动电路中采纳PTC热敏电阻来提供一种简单的方式。
它具有如下优点。
●在室温的情况下,正向电流是增加的。
●由于减少了LED的数量,所以成本可以降低。
此外,可以采用价格低廉的驱动IC,或者甚至也可以采用不具有集成温度管理功能的驱动电路。
●可以设计一个不需要IC控制,但仍能够根据环境温度调整LED工作电流的电路。
●也可以采用低成本的LED,只是需要降低额定工作条件和提供更小的安全裕量。
●如果增加过热保护功能,LED的可靠性会得到提高。
●在散热方面也可以采用散热器(片)等方法。
利用WHPTC前后的拓扑结构比较图
浅谈LED产品老化咱们在应用LED时常常会显现如此种问题,LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的,但点亮一段时刻以后就会显现暗光、闪动、故障、中断亮等现象,给产品带来严峻的损害。
引发这种现象的缘故大致有:
1.应用产品时,焊接制程有问题,例如焊接温度过高焊接时间过长,没有做好防静电工作等,这些问题95%以上是封装过程造成。
2.LED本身质量或生产制程造成。
预防方法有:
1.做好焊接制程的控制。
2.对产品进行老化测试。
老化是电子产品靠得住性的重要保证,是产品生产的最后必不可少的一步。
LED产品在老化后能够提升效能,并有助于后期利用的效能稳固。
LED老化测试在产品质量操纵是一个超级重要的环节,但在很多时候往往被忽视,无法进行正确有效的老化。
LED老化测试是依照产品的故障率曲线即浴盆曲线的特点而采取的计谋,以此来提高产品的靠得住性,但这种方式并非是必需的,毕竟老化测试是以捐躯单颗LED产品的寿命为代价的。
LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。
恒流源是指电流在任何时刻都恒定不变的。
有频率的问题,就不是恒流了。
那是交流或脉动电流。
交流或脉动电流源能够设计成有效值恒定不变,但这种电源无法称做「恒流源」。
恒流老化是最符合LED电流工作特点,是最科学的LED老化方式;过电流冲击老化也是厂家最新采纳的一种老化手腕,通过利用频率可调,电流可调的恒流源进行此类老化,以期在短时刻内判定LED的质量预期寿命,而且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。
有效避免高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器最近几年来,发光二极管(简称LED)的进展已取得庞大进步:
已从纯粹用作指示灯进展为光输出达100流明以上的大功率LED。
不久以后,LED照明的本钱将降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。
这使得人们对LED的下述应用爱好日浓:
汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、和笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。
大功率LED技术的进展提高了设计时期对散热的要求。
就像所有其它半导体一样,LED不能过热,以避免加速输出的减弱,或致使最坏状况:
完全失效。
与白炽灯相较,尽管大功率LED具有更高效率,可是输入功率中相当大的一部份仍变成热能而非光能。
因此,靠得住的运作就需要良好的散热,并要求在设计时期就考虑高温环境。
设计LED驱动电路尺寸时,也必需考虑温度因素:
必需选择其正向电流,以确保即便环境温度达到最高值,LED芯片也可不能过热。
随着温度的升高,就需要通过降低最高允许电流,即降低额定值,来实现降温。
LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。
有关此类曲线,参见图1。
图1LED降频曲线
利用无温度依托性的电源运行LED存在短处:
在高温区域内,LED那么超出规格范围运行。
另外,当处于低温区域时,照明源就由明显低于最大允许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。
如图1的绿色曲线所示,通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来操纵LED电流是一个重大改良。
这至少能够带来以下益处:
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