LED照明燈具發(fā)展

1、LED照明燈具發(fā)展概況自高亮度白光LED問世后，由于它具有發(fā)光效率高節(jié)電效果好，并且無污染、壽命長的特點，在照明應用上受到各國的重視。用白光LED作照明燈來取代傳統(tǒng)照明燈的研發(fā)工作不斷地進行著，取得了一些成果。這里舉幾個實例。1. 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明來取代冷陰極熒光燈（CCFT）。由于驅(qū)動白光LED有電路簡單、無須正負電源、且效率高、尺寸小的特點，在便 攜式電子產(chǎn)品中獲得極其廣泛的應用。隨著白光LED性能的提高，白光LED作背光源的應用不僅用于手機、游戲機、PDA、MP4、數(shù)碼相機等小彩屏電子產(chǎn) 品，目前已應用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸筆記本電腦中。它已成為

2、LED最大用戶之一，占LED年產(chǎn)量的30%左右。2. 采用白光LED作小型數(shù)碼相機的閃光燈來取代傳統(tǒng)的氙燈。由于采用短時間脈沖給LED供電可以比額定電流大一倍，給出的強光可滿足相機補光的要求。驅(qū)動LED閃光燈的電路無須高壓電源，也沒有較長的時間充電的缺點，可獲得更多的抓拍機會，并使電池使用時間更長。圖1  LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2  太陽能光控LED路燈3. 采用太陽能電池、蓄電池及白光LED組成的真正綠色照明系統(tǒng)。我國的太陽能電池生產(chǎn)量很大，2006年已達到370MW，太陽能組件的生產(chǎn)能力已大于 1000MW。這對利用太陽能點亮白光LED燈創(chuàng)造了極為良好的條件。這不僅用

3、于無電區(qū)，同樣適合于城鎮(zhèn)（在國外，主要依靠大量安裝屋頂并網(wǎng)系統(tǒng)來發(fā)展太 陽能光電產(chǎn)業(yè)）。目前我國已能生產(chǎn)成套適合牧區(qū)人民應用的白光LED照明系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在一些城市也采用太陽能電池、蓄電池及光控電路組成 LED路燈，能自動地天黑點亮，天亮關(guān)斷，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。利用太陽能轉(zhuǎn)化成電能來替代火力發(fā)電是最理想的，但大規(guī)模地應用太陽能電能是一個大的系統(tǒng)工程。雖然我國已能生產(chǎn)大量的太陽能電池，但可惜的是95%用于出口，留在國內(nèi)應用僅5%，目前利用太陽能點亮LED燈僅僅還在起步階段。4. 采用白光LED來取代白熾燈的研發(fā)工作起步不晚，在2004年后不少單位采用5高亮度白光LED開發(fā)出小功

4、率LED燈泡（15W）、1520W的管燈 及4060W的路燈、投射燈等產(chǎn)品，但并未量產(chǎn)。在我國南方一些工廠生產(chǎn)出各種15W LED燈泡及一些白光LED燈具，但大部分都出口而在國內(nèi)市場上反而少見。目前成批生產(chǎn)的替代白熾燈的有：礦燈、各種手電筒、應急燈、小瓦數(shù)閱讀燈及照明 燈等。另外，有一些城市用LED路燈作試點工作，但尚未普及。用白光LED燈取代白熾燈達到使火電廠減少二氧化碳、二氧化硫排放及節(jié)電的意義是十 分重大的。北大寬禁帶半導體研究中心張國義教授說：“如果全國居民用的電燈能有50%改用LED照明燈，每年節(jié)省的電量就是一個三峽發(fā)電站發(fā)電量的總 和?！睆哪壳皝砜?，用白光LED燈取代白熾燈還剛開始

5、，在LED的用戶中占很小的比例，不足LED年產(chǎn)量的3%。發(fā)光效率突破100lm/W隨著半導體光電材料及工藝技術(shù)的進步及大功率白光LED的封裝結(jié)構(gòu)的改進， 使得這兩三年內(nèi)白光LED的發(fā)光效率有長足的進步。15W的白光LED從以前的發(fā)光效率為3040lm/W提高到5060 lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些頂級的發(fā)光效率可達100 lm/W以上。例如，Cree公司的一種4W冷白光LED，其光通量分擋，在350mA電流時其最高擋可達107114lm（其功率為0.35A× 3.3V=1.15W，其發(fā)光效率為9399lm/W），典型的發(fā)光效率是80lm/W，而發(fā)展的目標是200lm/W

6、。表1列出目前各種燈類的一些主要參數(shù)，從表1中可以看出，在發(fā)光效率上白光LED不僅遠遠地超過白熾燈，也超過普通熒光燈、緊湊型熒光燈（節(jié)能熒光燈），這意味著：白光LED燈比它們更亮、更節(jié)電；而在壽命上則遙遙領(lǐng)先。大 功率白光LED的發(fā)光效率的提高給設(shè)計白光LED燈創(chuàng)造了條件，目前逐步用13W大功率白光LED來取代小功率5白光LED設(shè)計LED燈。用1個到幾 個（或十幾個）LED替代了幾十個到幾百個小功率5白光LED，不僅增加了亮度、減小了體積，還提高了可靠性、簡化了工藝。例如，采用18個1W的白光LED組成的小型路燈可發(fā)出1440lm光通量，若采用白熾燈則需要100W。另外，用一個65lm的1W白

7、光LED做成的強光手電筒，它可照射幾十米遠；若采用5LED來做則是不可能做到的。LED燈難進百姓家上面已介紹了白光LED的特點及性能的提高，并開發(fā)出應用于各種場合的白光LED 燈，但LED燈難進百姓家。這不是生產(chǎn)上存在什么難題，主要原因是白光LED照明燈的發(fā)光效率還不太高，并且價格太貴，使一般百姓家難以接受。以家庭常用 的白熾燈、節(jié)能熒光燈與相同亮度的白光LED燈的價格比較目前1W白光LED的單價是810元，3W的單價是2025元（與LED的質(zhì)量及品牌有 關(guān)），另外還要驅(qū)動電路及結(jié)構(gòu)件。再考慮生產(chǎn)廠家的利潤及商業(yè)利潤，則單價可能要120元以上。從表2可以看出：9W節(jié)能熒光燈的發(fā)光效率與LED差

8、別不 大，但單價要比同樣功率的白光LED燈價格低十幾倍以上。這是白光LED燈難進百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的價格降低8倍左右、發(fā)光效率提 高到150lm/W時，LED燈才能普及，這可能要等幾年。節(jié)能熒光燈的上市到普遍應用也有近二十年時間（這有質(zhì)量上的提高及價格下降的過程），白光 LED燈的普及可能要比節(jié)能熒光燈快些（5高亮度白光LED上市時單價大于1.5元，現(xiàn)在批量單價已降低到0.1250.15元）。LED燈路在何方白光LED照明燈的推廣及普及的意義十分重大，但真的要在我國進入百姓家還有很多工作 要做，要在技術(shù)上（發(fā)光效率達到120150lm/W）、價格上（要比現(xiàn)在的價格降低81

9、0倍）有重大的突破，還需要不斷的努力。白光LED照明燈的 推廣及普及工作是一項系統(tǒng)工程、重大項目，需要國家的規(guī)劃、引導及扶持，在政策上及經(jīng)濟上的支持。我國現(xiàn)在在上海、南昌、大連、廈門已建立四大半導體照明基地及有關(guān)科研單位，他們將對LED燈的推廣工作起到重大作用。目 前LED照明燈雖然還難進百姓家，但是還有很多領(lǐng)域可以大量地應用LED照明燈。這些領(lǐng)域的應用可促進大功率白光LED的生產(chǎn)、可促進技術(shù)的提高，并可降 低生產(chǎn)成本。在LED照明設(shè)計、應用上也可獲得更多的經(jīng)驗，有利于將來的推廣。這些應用領(lǐng)域都是用電大戶，對節(jié)電能起到很大作用。它們是:1. 城鎮(zhèn)街道的路燈系統(tǒng)（包括太陽能路燈系統(tǒng)）；2. 隧道

10、及地下停車場（包括地下商場）；3. 交通工具的照明（汽車、電車、輪船、飛機等的內(nèi)部及部分外部照明燈）；4. 大的公共場所的LED照明系統(tǒng)，例如火車站、地鐵站、飛機場、大型超市、大型百貨公司、大廈及醫(yī)院等；5. 無電區(qū)的LED燈照明工程。由 于LED照明燈一般采用低壓直流（恒流）供電。若采用交流220V市電供電，需要專門的變電裝置輸出低壓直流電（如12V、24V等）并由LED驅(qū)動器來 驅(qū)動LED燈，如圖3所示。所以最好在新建這些建筑時就考慮到用LED燈，則在建筑設(shè)計中都把它設(shè)計在內(nèi)，這要經(jīng)濟得多。而歸建筑原用日光燈的照明系統(tǒng)要 改造成LED照明，則改造的費用大、改造的時間長（如改造一個地鐵站或一

11、個候機大廳的照明系統(tǒng)）。新建LED照明供電系統(tǒng)需要比傳統(tǒng)照明供電系統(tǒng)要復雜些，費用要高得多，如果沒有政策的支持及經(jīng)濟的扶持是難以成功的。圖3  給LED供變電電路結(jié)束語LED燈的應用是一個綜合技術(shù)的應用，它涉及到LED、太陽能電池、蓄電池、AC/DC轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動器等各個領(lǐng)域的技術(shù)。但目前關(guān)鍵技術(shù)問題還是LED的發(fā)光效率不夠高、生產(chǎn)成本不夠低。要使LED燈進入千家萬戶，可能還要等幾年。LED Lamp(led 燈主要由支架、銀膠、晶片、金線、環(huán)氧樹脂五種物料所組成。 一、支架： 1）、支架的作用：用來導電和支撐 2）、支架的組成：支架由支架素材經(jīng)過電鍍而形成，由里到外是素材、銅、

12、鎳、銅、銀這五層所組成。 3）、支架的種類：帶杯支架做聚光型，平頭支架做大角度散光型的Lamp。 A、2002杯/平頭：此種支架一般做對角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin長比其他支架要短10mm左右。Pin間距為2.28mm B、2003杯/平頭：一般用來做5以上的Lamp，外露pin長為+29mm、-27mm。Pin間距為2.54mm。 C、2004杯/平頭:用來做3左右的Lamp，Pin長及間距同2003支架。 D、2004LD/DD：用來做藍、白、純綠、紫色的Lamp，可焊雙線，杯較深。 E、2006：兩極均為平頭型，用來做閃爍Lamp，固IC，焊多條線。 F、2009：用來做雙色的

13、Lamp，杯內(nèi)可固兩顆晶片，三支pin腳控制極性。 G、2009-8/3009：用來做三色的Lamp，杯內(nèi)可固三顆晶片，四支pin腳。 二、銀膠 銀膠的作用：固定晶片和導電的作用。 銀膠的主要成份：銀粉占75-80%、EPOXY（環(huán)氧樹脂）占10-15%、添加劑占5-10%。 銀膠的使用：冷藏，使用前需解凍并充分攪拌均勻，因銀膠放置長時間后，銀粉會沉淀，如不攪拌均勻?qū)绊戙y膠的使用性能。 三、晶片（Chip）： 發(fā)光二極管和led芯片的結(jié)構(gòu)組成 1）、晶片的作用：晶片是LED Lamp的主要組成物料，是發(fā)光的半導體材料。 2）、晶片的組成：晶片是采用磷化鎵（GaP）、鎵鋁砷（GaAlAs）或

14、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等材料組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有單向?qū)щ娦浴?3）、晶片的結(jié)構(gòu)： 焊單線正極性（P/N結(jié)構(gòu)）晶片，雙線晶片。晶片的尺寸單位：mil 晶片的焊墊一般為金墊或鋁墊。其焊墊形狀有圓形、方形、十字形等。 4）、晶片的發(fā)光顏色： 晶片的發(fā)光顏色取決于波長，常見可見光的分類大致為：暗紅色（700nm）、深紅色（640-660nm）、紅色（615-635nm）、琥珀色 （600-610nm）、黃色（580-595nm）、黃綠色（565-575nm）、純綠色（500-540nm）、藍色（450-480nm）、紫色 (380-430nm。 白光和粉紅光是一種光的混合效果。最常見的是

15、由藍光+黃色熒光粉和藍光+紅色熒光粉混合而成。 5）、晶片的主要技術(shù)參數(shù)： A、晶片的伏安特性圖： B、順向電壓（VF）：施加在晶片兩端，使晶片正向?qū)ǖ碾妷骸４穗妷号c晶片本身和測試電流存在相應的關(guān)系。VF過大，會使晶片被擊穿。 C、順向電流（IF）：晶片在施加一定電壓后，所產(chǎn)生的正向?qū)娏鳌F的大小，與順向電壓的大小有關(guān)。晶片的工作電流在10-20mA左右。 D、逆向電壓（VR）：施加在晶片上的反向電壓。 E、逆向電流（IR）：是指晶片在施加反向電壓后，所產(chǎn)生的一個漏電流。此電流越小越好。因為電流大了容易造成晶片被反向擊穿。 F、亮度（IV）：指光源的明亮程度。單位換算：1cd=1000

16、mcd G、波長：反映晶片的發(fā)光顏色。不同波長的晶片其發(fā)光顏色也就不同。單位：nm H、光：是電磁波的一種。波長在0.1mm-10nm之電磁波稱為光。 光可分為：波長大于0.1mm稱為電波；760nm-0.1nm叫紅外光;380nm-760nm叫可見光; 10nm-380nm叫紫外光；波長小于10nm的是X線光。 四、金線： 金線的作用：連接晶片PAD（焊墊）與支架，并使其能夠?qū)ā?金線的純度為99.99%Au；延伸率為2-6%，金線的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。 五、環(huán)氧樹脂： 環(huán)氧樹脂的作用：保護Lamp的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可稍微改變Lamp的發(fā)光顏色，亮度及角度；使La

17、mp成形。 封裝樹脂包括：A膠（主劑）、B膠（硬化劑）、DP（擴散劑）、CP（著色劑）四部份組成。其主要成分為環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin）、酸酐類（酸無水物 Anhydride）、高光擴散性填料（Light diffusion）及熱安定性染料（dye） 六、模條： 模條是Lamp成形的模具，一般有圓形、方形、塔形等。支架植得深淺是由模條的卡點高低所決定。模條需存放在干凈及室溫以下的環(huán)境中，否則會影響產(chǎn)品外觀不良。LED用于照明燈具目前存在的主要問題一、LED做照明燈具目前存在的問題 稱為希望之光的LED,從1964年發(fā)明至今，已發(fā)展到普及化照明的時代，其節(jié)能、環(huán)保、亮度高、功耗小、壽命長

18、、耐沖擊等優(yōu)點，前景極為廣闊；在室內(nèi)照明的起步階段，還有其固有的缺點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1、不一致性帶來的問題：理論上LED都是能發(fā)光的二極管，而實際上所有LED的 電性能都是有差異的，每個廠家的生產(chǎn)工藝是不一致的，甚至相差很大，就是同一廠家的不同時間的工藝都是有差異的；不同廠家使用的半導體原材料的純度是有差 異的，這就使LED的發(fā)光強度與驅(qū)動電流是不完全相同、耐過電流能力和發(fā)熱的差異也就自然而然的不同了；封裝工藝和封裝材料的不同，使得整體的散熱能力是 不一樣的，還有組合材料的熱彭脹與散熱的問題等。由此不難看出,LED發(fā)光二極管在短期內(nèi)仍存在個體之間的很大的差異，如果每個燈只用一個LED，

19、好控 制。例如電視機、DVD上的電源指示燈；而當我們用LED制作照明燈具時，就不是用單個的LED，而是用多個、上百上千個LED成陣列接入電路，因LED 的差異總有一個最先損壞，當有幾個壞掉時(通常是短路，會使電流增大而損壞其他的LED。這就是不一致性帶的結(jié)果，也是制約其發(fā)展的因素之一。2、驅(qū)動電路復雜的問題：a.在電壓匹配方面，LED不象普通的白熾燈泡，可以直 接連接220V的交流市電。LED是2-3.伏的低電壓驅(qū)動，必須要設(shè)計復雜的變換電路，不同用途的LED燈，要配備不同的電源。b.在電流供應方面， LED的正常工作電流在18mA-20mA，供電電流小于15mA時LED的發(fā)光強度不夠，而大于

20、20mA時，發(fā)生光衰而導致LED老化，同時發(fā)熱大增， 老化加快、壽命縮短，當超過50mA時會很快損壞，為了延長LED照明燈的使用壽命，常用集成電路電源、電子變壓器、分離元件電源等，大電流驅(qū)動時，要配 大功率管或可控硅器件，另加保護電路，要恒流、恒壓電路供電，這樣電源電路復雜，故障率、元件成本、生產(chǎn)成本、服務成本都將升高。這就大大地限制了市場的 競爭力與購買群體。二、LED照明電路的特點：A、多LED燈的串、并聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)；B、不需要控制亮度；C、LED的電流在一定范圍變化不會明顯影響照度；D、LED損壞的原因多是電流過大，超過50mA，較小的電壓變化引起較大的電流變化。所以控制過電流即可，這為電

21、路的簡化提供依據(jù)。三、解決問題的方法：如果用WHPTC過流保護器 作保護，從原理可知，當電路的電流超過規(guī)定值時會訊速的自動保護，在排除故障后又自動復位，無需人工更換。對LED而言，電壓的變化不是LED損壞的直接 原因，而電流的增大才是LED的真正殺手。利用這個特性，在LED的電路保護上具有絕對的優(yōu)勢，讓簡易電源供電變?yōu)楝F(xiàn)實。實踐證明，在LED電路出現(xiàn)故障 以前就有效保護了。如下圖可見，因有了WHPTC可省去恒流、恒壓電路，。器件成本、生產(chǎn)成本、服務成本都大大降低。也大大增加了產(chǎn)品的市場競爭力。四、型號選擇：可選擇WH6-XXX 到 WH250-XXX 的 20mA-到-15A 中的所需型號。對

22、LED進行無損保護，延長壽命。例如：WH250-020 用在220V、20mA的LED電路中，當電流超過40mA時，WHPTC在20秒左右保護。專家指點：WHPTC保護時，其續(xù)電流使LED繼續(xù)點亮，只是光暗而不是熄滅，這是其它保護電路不具備的優(yōu)點，如果是干擾電流或電壓導致保護，則干擾過去后，LED自動恢復正常點亮，而不需要人工更換或維修。五、WHPTC系列產(chǎn)品可用于下列的照明、裝飾、景觀等燈具的電路保護：各種LED日光燈、球泡燈、杯燈、吸頂燈、路橋燈、交通燈、隧道燈、護欄燈、空中探照燈、激光燈、投光燈、庭院燈、地埋、水底燈、墻角燈、地腳燈、幕墻燈、盒燈、迪吧燈、酒吧燈、地磚燈、廣場燈、節(jié)日燈、

23、工藝燈、線條燈、氣車燈等LED燈。大功率LED技術(shù)的進步也使得設(shè)計階段的散熱考慮變得越來越重要。為了避免LED的加速老化，或者最壞情況的完全報廢，LED本身不能過熱。一旦大功率LED的發(fā)熱效率高于發(fā)光效率，輸入功率產(chǎn)生熱而不發(fā)光的比例就非常高。所以，在設(shè)計階段就必須考慮采用良好的散熱來保證LED工作可靠，并且允許它在更高的環(huán)境溫度下也能夠工作。而在選擇LED驅(qū)動電路時，則必須考慮器件的散熱。確保LED芯片不致過熱的一個重要指標就是正向電流。在 實際使用中，經(jīng)常將工作電流設(shè)置在一個很低的水平，以確保即使在很高的環(huán)境溫度下 LED也不至于過熱。然而，如果LED的工作電流與溫度不相關(guān)，就會帶來一個很

24、大的問題：當溫度過高時，LED的工作條件就超出了其規(guī)范的要求。此外，在 很低的溫度下，供給LED的電流會極大地低于最大允許電流。LED驅(qū)動電路中的熱敏電阻因此，人們希望控制LED的 驅(qū)動電流并使之降低LED額定工作條件。某些價格昂貴的LED驅(qū)動IC可以實現(xiàn)這種功 能，它采用內(nèi)部或外部的溫度傳感器來感知溫度并進行反饋控制。而我們則希望通過在LED驅(qū)動電路中采用PTC熱敏電阻來提供一種簡單的方法。它具有如下優(yōu) 點。 在室溫的情況下，正向電流是增加的。 由于減少了LED的數(shù)量，所以成本可以降低。此外，可以采用價格低廉的驅(qū)動IC，或者甚至也可以采用不具有集成溫度管理功能的驅(qū)動電路。 可以設(shè)計一個不需要

25、IC控制，但仍能夠根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整LED工作電流的電路。 也可以采用低成本的LED，只是需要降低額定工作條件和提供更小的安全裕量。 如果增加過熱保護功能，LED的可靠性會得到提高。 在散熱方面也可以采用散熱器（片）等方法。使用WHPTC前后的拓撲結(jié)構(gòu)比較圖淺談LED產(chǎn)品老化 我們在應用LED時經(jīng)常會出現(xiàn)這樣種問題，LED焊在產(chǎn)品上剛開始的時候是正常工作的，但點亮一段時間以后就會出現(xiàn)暗光、閃動、故障、間斷亮等現(xiàn)象，給產(chǎn)品帶來嚴重的損害。引起這種現(xiàn)象的原因大致有：1應用產(chǎn)品時，焊接制程有問題，例如焊接溫度過高焊接時間過長，沒有做好防靜電工作等，這些問題95以上是封裝過程造成。2LED本身質(zhì)量或生產(chǎn)制程造成。 預防方法有：1.做好焊接制程的控制。2.對產(chǎn)品進行老化測試。老化是電子產(chǎn)品可靠性的重要保證，是產(chǎn)品生產(chǎn)的最后必不 可少的一步。LED產(chǎn)品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能穩(wěn)定。LED老化測試在產(chǎn)品質(zhì)量控制是一個非常重要的環(huán)節(jié)，但在很多時候往往被忽 視，無法進行正確有效的老化。LED老化測試是根據(jù)產(chǎn)品的故障率曲線即浴盆曲線的特征而采取的對策，以此來提高產(chǎn)品的可靠性，但這種方法并不是必需的，畢 竟老化測試是以犧牲單顆LED產(chǎn)品的壽命為代