LED照明灯具发展概况Word下载.docx
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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%。
发光效率突破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的封装结构的改进,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0.35A×
3.3V=1.15W,其发光效率为93~99lm/W),典型的发光效率是80lm/W,而发展的目标是200lm/W。
表1列出目前各种灯类的一些主要参数,从表1中可以看出,在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯,也超过普通荧光灯、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;
而在寿命上则遥遥领先。
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;
若采用Φ5LED来做则是不可能做到的。
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,并开发出应用于各种场合的白光LED灯,但LED灯难进百姓家。
这不是生产上存在什么难题,主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高,并且价格太贵,使一般百姓家难以接受。
以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前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,则单价可能要120元以上。
从表2可以看出:
9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大,但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。
这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。
要等到大功率白光LED的价格降低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间(这有质量上的提高及价格下降的过程),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1.5元,现在批量单价已降低到0.125~0.15元)。
LED灯路在何方
白光LED照明灯的推广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)、价格上(要比现在的价格降低8~10倍)有重大的突破,还需要不断的努力。
白光LED照明灯的推广及普及工作是一项系统工程、重大项目,需要国家的规划、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
结束语
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还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。
要使LED灯进入千家万户,可能还要等几年。
LEDLamp(led灯)主要由支架、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2.28mm
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2.54mm。
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0.1mm-10nm之电磁波称为光。
光可分为:
波长大于0.1mm称为电波;
760nm-0.1nm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99.99%Au;
延伸率为2-6%,金线的尺寸有:
0.9mil、1.0mil、1.1mil等。
五、环氧树脂:
环氧树脂的作用:
保护Lamp的内部结构,可稍微改变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,一般有圆形、方形、塔形等。
支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。
模条需存放在干净及室温以下的环境中,否则会影响产品外观不良。
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,已发展到普及化照明的时代,其节能、环保、亮度高、功耗小、寿命长、耐冲击等优点,前景极为广阔;
在室内照明的起步阶段,还有其固有的缺点,主要表现在以下几方面:
1、不一致性带来的问题:
理论上LED都是能发光的二极管,而实际上所有LED的电性能都是有差异的,每个厂家的生产工艺是不一致的,甚至相差很大,就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的;
不同厂家使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、耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了;
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发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异,如果每个灯只用一个LED,好控制。
例如电视机、DVD上的电源指示灯;
而当我们用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的差异总有一个最先损坏,当有几个坏掉时(通常是短路),会使电流增大而损坏其他的LED。
这就是不一致性带的结果,也是制约其发展的因素之一。
2、驱动电路复杂的问题:
a.在电压匹配方面,LED不象普通的白炽灯泡,可以直接连接220V的交流市电。
LED是2--3.伏的低电压驱动,必须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.在电流供应方面,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,发生光衰而导致LED老化,同时发热大增,老化加快、寿命缩短,当超过50mA时会很快损坏,为了延长LED照明灯的使用寿命,常用集成电路电源、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,另加保护电路,要恒流、恒压电路供电,这样电源电路复杂,故障率、元件成本、生产成本、服务成本都将升高。
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、不需要控制亮度;
C、LED的电流在一定范围变化不会明显影响照度;
D、LED损坏的原因多是电流过大,超过50mA,较小的电压变化引起较大的电流变化。
所以控制过电流即可,这为电路的简化提供依据。
三、解决问题的方法:
如果用WHPTC过流保护器作保护,从原理可知,当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护,在排除故障后又自动复位,无需人工更换。
对LED而言,电压的变化不是LED损坏的直接原因,而电流的增大才是LED的真正杀手。
利用这个特性,在LED的电路保护上具有绝对的优势,让简易电源供电变为现实。
实践证明,在LED电路出现故障以前就有效保护了。
如下图可见,因有了WHPTC可省去恒流、恒压电路,。
器件成本、生产成本、服务成本都大大降低。
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进行无损保护,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秒左右保护。
专家指点:
WHPTC保护时,其续电流使LED继续点亮,只是光暗而不是熄灭,这是其它保护电路不具备的优点,如果是干扰电流或电压导致保护,则干扰过去后,LED自动恢复正常点亮,而不需要人工更换或维修。
五、WHPTC系列产品可用于下列的照明、装饰、景观等灯具的电路保护:
各种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的发热效率高于发光效率,输入功率产生热而不发光的比例就非常高。
所以,在设计阶段就必须考虑采用良好的散热来保证LED工作可靠,并且允许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,则必须考虑器件的散热。
确保LED芯片不致过热的一个重要指标就是正向电流。
在实际使用中,经常将工作电流设置在一个很低的水平,以确保即使在很高的环境温度下LED也不至于过热。
然而,如果LED的工作电流与温度不相关,就会带来一个很大的问题:
当温度过高时,LED的工作条件就超出了其规范的要求。
此外,在很低的温度下,供给LED的电流会极大地低于最大允许电流。
LED驱动电路中的热敏电阻
因此,人们希望控制LED的驱动电流并使之降低LED额定工作条件。
某些价格昂贵的LED驱动IC可以实现这种功能,它采用内部或外部的温度传感器来感知温度并进行反馈控制。
而我们则希望通过在LED驱动电路中采用PTC热敏电阻来提供一种简单的方法。
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。
使用WHPTC前后的拓扑结构比较图
浅谈LED产品老化我们在应用LED时经常会出现这样种问题,LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的,但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象,给产品带来严重的损害。
引起这种现象的原因大致有:
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。
老化是电子产品可靠性的重要保证,是产品生产的最后必不可少的一步。
LED产品在老化后可以提升效能,并有助于后期使用的效能稳定。
LED老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节,但在很多时候往往被忽视,无法进行正确有效的老化。
LED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策,以此来提高产品的可靠性,但这种方法并不是必需的,毕竟老化测试是以牺牲单颗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间都恒定不变的。
有频率的问题,就不是恒流了。
那是交流或脉动电流。
交流或脉动电流源可以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电流工作特征,是最科学的LED老化方式;
过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段,通过使用频率可调,电流可调的恒流源进行此类老化,以期在短时间内判断LED的质量预期寿命,并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。
有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器近年来,发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步:
已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。
不久之后,LED照明的成本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的下述应用兴趣日浓:
汽车照明灯、建筑物内外的LED光源、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。
大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。
就像所有其它半导体一样,LED不能过热,以免加速输出的减弱,或者导致最坏状况:
完全失效。
与白炽灯相比,虽然大功率LED具有更高效率,但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。
因而,可靠的运作就需要良好的散热,并要求在设计阶段就考虑高温环境。
设计LED驱动电路尺寸时,也必须考虑温度因素:
必须选择其正向电流,以确保即使环境温度达到最高值,LED芯片也不会过热。
随着温度的升高,就需要通过降低最高容许电流,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
利用无温度依赖性的电源运行LED存在弊端:
在高温区域内,LED则超出规格范围运行。
此外,当处于低温区域时,照明源就由明显低于最大容许电流(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)来控制LED电流是一个重大改进。
这至少可以带来下列好处:
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