LED照明技术探讨

2022-11-02

自2010年起, 欧、美、日等先进国家会相继开始执行禁用白炽灯泡的法令, 而推行这种法令的原因是为了限制低发光效率的光源。中国目前GDP保持快速增长, 但相对于国际发达国家的单位GDP能耗来看, 我国是以高能源消耗来换取GDP的快速增长, 这种GDP增长方式亟待改变。中国经济的告诉发展正面临着各种能源的压力, 解决能源短缺时政府面临的最大挑战之一。所以中国政府也已经开始实现照明节能计划, 大力推广普及节能光源的使用, 目标是到2010年每年降低能耗10%。一些单位也已经开始限制白炽灯泡的使用。白炽灯泡被禁用后, 取而代之的光源包括节能灯、冷阴极管、LED等。如果将来再考虑对有害物质进行限制, 那么LED光源就将成为最佳选择。目前, 我国已经将LED等的研制和推广放到了一个非常重要的位置。

下面就从LED照明的原理、LED照明的亮度与稳定性、LED照明的节能效果等几个方面进行探讨。

1 LED发光源工作原理及特性

发光二极管是半导体材料合成的二极管, 由PN结组成, 当外加正向电压时, 电子与电洞结合以光子形式释出能量, 因此具有发光特性。而其光源在靠近PN接口毫米以内产生, 发光的波长取决于材料之特性而有不同发光颜色, 常见有红、黄、绿、蓝发光二极管。发光二极管发光亮度可以通过工作电压 (电流) 的大小来调节。在很大的工作电流范围内, 发光二极管的亮度随电流的增大而提高。

2 LED照明亮度稳定性

发光二极管的亮度随电流的大小而不同, 且制造出来的发光二极管, 其电压与电流曲线稍有差异, 因而LED照明的亮度常随电源电压的变动而无法稳定。为维持亮度稳定一致, 需要发光二极管恒流驱动器来实现。恒流驱动器可以使得发光二极管工作在固定电流模式, 因而亮度稳定性高。恒流驱动器也让发光二极管长期工作在一定电流下, 使其维持较长寿命。

一般来讲, 恒流驱动器的输出电流可通过外置电阻来进行确定。至少应具有±6%精度电流与通道间±3%匹配精度, 可用于路灯、灯管等照明设备。为节能考虑, 系统设计需考虑恒流驱动器的跨压在0.5V~2V之间。由于发光二极管长时间工作在恒定电流下, 其跨压稍有下降, 在系统设计中, 应考虑跨压下降的影响。

3 LED照明节能考虑

发光二极管照明优点是节能、安全, 但由于恒定电流工作考虑, 能耗会相应有所增加, 因此照明系统设计应以低能耗为首要目标。前面提到恒流驱动器的压降在2V以内, 就是一种考虑低能耗的设计, 若系统的电源端电压与串接发光二极管压降超过2V以上, 则需考虑以电压转换器来达到低能耗目标, 但仍维持恒定电流工作模式。低能耗的电压转换器是以开关式方式工作依据反馈电路控制开关周期, 达到稳定输出电压。但为了维持发光二极管恒定电流工作状态, 反馈电路是以输出电流来控制转换器开关周期。

目前国内市场上的LED照明产品中, 电源输入系统为两类:一类前端为AC电源输入系统加上后端的定电流控制模块, 此类产品包括冷冻柜灯条、室内灯具、路灯、台灯、MR16、AR111等。另一类为交流电源直接输入系统整合AC/DC转换器和恒定电流线路, 此类产品包括E27和GU10等灯泡型LED灯、PAR灯、T5和T8 LED灯管等。

第一类电源设计除了应选择前端效率较佳的恒定电压电源供应器外, 后端恒定电源控制的电源模块则依其产品特性采用效率较佳的电源设计。其优点在于前端AC/DC的电源供应器, 如开关电源、DC适配器等恒定电压电源, 可选择性高且大多具有符合标准的方案, 从而能够降低设计的门槛。

第二类电源设计由于整合了AC/DC的电路和恒定电流电路, 故可符合较小空间的结构设计, 但从功率因子、电源效率和标准化的角度来说, 设计也存在一些难度。因此, 当前市场此类产品很少能达到高发光效率、高功率因子 (>0.9) 的标准。