LED灯新型节能技术

1.综述
照明——作为人类社会发展过程中不可或缺的元素，对人类文明及社会的进步起着至关重要的作用1879年，爱迪生发明了白炽灯，使得人类社会摆脱了漫长的火光照明时代，开始由此进入到了电光照明时代。

从此，人类照明的历史翻开了崭新的一页。

随后，以爱迪生为代表的科学家对白炽灯进行了数次的改进，白炽灯的寿命得到了巨大的提升。

在很长时间之内，以白炽灯为代表的第一代光源都在照明控制域占据支配地位。

但是，白炽灯低效的电能转化率，使得绝大部分的电路转换为了热能。

各国科学家在很长的时间之内，都在寻找新的高效的照明设备来替代传统白炽灯。

直到1938年，美国通用电子公司的伊曼，在经过了坚持不懈的研究试验以后，终于发明制造了第一盏荧光灯。

相比白炽灯，荧光灯节能效果较好，但相同亮度下，相比LED 灯具[1]，荧光灯需要多消耗一倍的功率，发光效率低；而且荧光灯里都含有汞，生产过程和废弃灯管都会对环境造成污染。

因此，寻找新的高效无污染的照明光源始终是社会各界的共同诉求。

直到上世纪的60年代，第一只半导体发光二极管的发明，重新点燃了人们对新光源的希望。

作为一种全新的照明技术，以半导体材料作为发光材料的二极管，能够直接将电能转变为光能。

这种发光二极管相对于之前的灯具，具有很多的优点：发光效率高、节能环保和寿命长。

因此，该项发明称作是照明领域的又一项伟大的发明。

1996年，日本日亚化学公司发明了能发出白光的发光二极管，开启了LED 迈入照明市场的序幕。

LED 被称为第四代绿色照明光源，具有寿命较长、节能环保、色彩丰富等优点，因此，广泛的应用在社会的各个方面。

特别是进入二十一世纪以来，全球能源日益短缺，各个国家都在寻求新的更高效的节能方式，而在照明控制领域，节能更显得尤为重要。

照明领域是世界上第二大用电的领域，大约占总用电量的19%，而我国照明领域用电量占全国总的用电量的13%左右[2]。

因此，推广节能环保的LED灯具具有重大的实际意义[3]，LED灯具必然是未来发展的方向之一。

进入二十一世纪以来，世界各国政府组织相应推出各种政策和计划，加大力度发展LED照明产业。

在2000年，美国就在新开展的“国家半导体照明计划”中，投入五亿美元。

同年7月，欧盟也相应的展开了“彩虹计划”，来发展LED照明产业。

2003年6月，将发展半导体照明产业列入到了“863”发展计划之中。

2011年3月，我们国家在“十二五规划纲要”中更是提出全新发展目标，对生产总值能耗和二氧化碳的排放量都提出了目标要求，分别降低16%和17%[4]。

这些政策、措施和计划，无疑都在很大程度上促进了LED照明产业的发展和进步。

特别是，在今年国庆节之前，国家发改委公布的《关于加大工作力度确保实现2013年节能减排目标任务的通知》，更是明确的提出以后的绿色照明补贴将从传统的荧光灯，转为更高的LED 等照明产品[5]。

所以，这个政策的提出，明确的指出了节能减排与LED照明产业发展的紧密联系，未来照明产业向LED节能产品方向发展的目标。

照明行业发展到现在，所经历的几次转变，都是以更高的发光效率，从而更加的节能环保为最终目标。

除了节能环保的特点之外，LED照明还能够以其丰富的发光效果，与家具等完美的结合到一起，从而给人们带来更加有创意的照明效果。

特别是近几年，电子信息技术和互联网技术的快速发展，传统开关方式的照明技术以及不能满足人们更高的需求，人们开始追寻更加
时尚、更加智能的照明控制方式。

因此，未来的照明产业的发展，不只是体现在LED节能环保方面，而是追求将LED节能与智能化照明相结合，将通信、传感以及物联网等现代化技术融合到其中，真正实现LED 智能化控制。

2.LED灯的技术调研
2.1工作原理
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N 结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

2.2LED 灯驱动电源结构
LED 灯由于其特性，必须要工作在恒流状态或近似恒流状态，即必须要加适当的驱动电源，将220 V市电变换成输出为低压且隔离/非隔离的恒定电流，以满足LED的工作要求。

由于LED灯的功率一般为几瓦至一二十瓦，功率不大，因此其驱动电路也较为简单，一般为BUCK降压型非隔离型恒流电源或单端反激恒流型隔离驱动电源，大部分不进行功率因数校正(η≈0.6) 或采用无源功率因数校正( 逐流式,η≈0.9) ，具体电路简化原理见图5 所示，说明如下:图5a给出的为BUCK降压型非隔离式开关恒流源。

电路的原理为: 220 V交流市电经过全桥整流器FB和电容C1滤波后，输出为具有一定纹波的直流，并加到高频恒流变换电路上。

开关管V在PWM控制器的作用下有规律的导通和截止。

其导通时电流经电感L加到LED串上，呈逐步增大的趋势。

当电流达到设定上限值时( IF) ，V截止。

由于L的作用，电流经二极管D、LED串继续流动，并逐步减小。

当减小到设定的下限值时，V又开始导通，经行新的循环。

其中，电阻R的作用是进行IF检测，并反馈到控制器，来调整其输出的脉冲宽度; 电容C2的作用是减小LED串电流的波动。

图5b 给出的为单端反激型隔离式开关恒流源。

图5 LED灯的驱动电路原理电路的一般原理为:220 V 交流经过全桥整流器FB 整流和电容C1滤波变为直流后，加到高频恒流变换电路上。

开关管V 在PWM控制器的作用下有规律地导通和截止。

当V导通时电流呈逐步增大的趋势，加到隔离变压器T 原边上，将能量储存在T内。

此时由于D的反向作用，T的副边没有电流输出，LED串的电流IF 由C2提供; 当V关断时，T的副边电压极性翻转，通过 D 输出电流给C2和LED串。

电阻R 的作用是进行LED串的电流检测，并反馈到控制器，来调整其输出的脉冲宽度。

具体是: 当IF达到设定下限值时，通过电流检测和误差放大，并与设定值比较，使得PWM控制器的输出脉冲宽度增大，反之则减小，如此反复循环，使得IF保持相对恒定状态[6]。

图2-1 LED结构图
2.3LED灯智能照明控制相关协议介绍
LED 智能照明控制相关技术的快速发展，使得照明控制领域由传统照明进入到新型的智能化照明控制的时代。

智能化照明控制的快速发展，得益于用户益增长的需求，而用户的需求主要体现在以下两个方面：一是，可以节约能源，降低照明控制系统的整体运行和维护成本；二是，将照明灯具统一起来，便于维护和管理，从而营造更加舒适的照明效果。

智能化照明控制系统发展，需要多种技术相融合共同发展，包括总线技术、网络技术以及通信技术等。

为了使所开发产品和系统拥有更广阔的应用空间、降低维护成本，
实现和其它产品实现无缝连接，就不得不提现阶段流行的一些能够应用到智能照明控制领域的相关控制协议[7]。

国际上和智能照明控制相关的技术标准或者控制协议，可以说非常多，而且分类也不尽相同。

一方面，智能照明控制系，按照是否有线，可以分为有线传输方式和无线传输方式，而无线传输方式，又可以分为红外遥控方式[8]和无线遥控方式[9]等控制方式。

但是，由于一般无线控制在传输过程中增加了对传输编码的特殊要求，因此，要统一相互之间的协议就显得比较困难。

另一方面，按照协议的开放性又可以分为封闭协议和开放协议两类[10]，封闭协议中比较流行的有C-Bus 协议和DyNet 协议；开放协议中代表的有EIB和DALI 等。

2.4LED的使用优点
（1）应用灵活：LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以体积非常小，重量非常轻，可以平面封装，易开发成轻薄短小的产品，做成点、线、面各种形式的具体应用产品。

（2）发光效率高：光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可以达到80%之多。

而白炽灯可见光效率仅为20%。

（3）光线质量高：光谱中没有紫外线和红外线，故没有辐射，属于典型的绿色照明光源。

（4）能耗小：功率小，浪费少。

以其作为光源，在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8左右。

（5）寿命长：一个半导体灯的标准寿命是10 万小时，正常情况下可以使用50年。

（6）可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。

（7）安全：工作电压大致在2-24V之间，低于人体的安全电压。

（8）响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。

白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

（9）绿色环保：可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。

2.5LED的使用缺点
（1）单个功率低：市面上的单体LED功率一般在5W以下，还没有出现更大功率的LED，这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈。

目前飞利浦、通用电气、奥斯兰等国际巨头具备高功率HID光源的技术，大部分地区均仍是技术空白。

（2）使用环境要求高，需要严格控制温度：LED 是一种半导体材料，与普通二极管一样具有PN 结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，温度过高会直接影响LED的寿命，并且会增大LED的光衰，情况严重的会将LED烧坏。

（3）显色指数低：在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实。

（4）在个别专业领域里仍存在满足其光源需求的技术性难关。

（5）制造成本较高，LED 要成为未来照明的主流光源，必须要技术革新降低成本，市场才有可能突破。

3.LED灯的运用需要面对的技术问题
LED 虽然有很多优点，但是也存在着许多不足和技术问题有待进一步改进和解决，下面从几个方面对之进行了讨论。

3.1大功率LED 技术
LED 存在静电释放损害和热膨胀系数等效能瓶颈和散热问题，使其功率不能做得很大，亮度低。

目前常用的性能比较稳定的大功率LED芯片是1W 和3W。

可以通过集成芯片提高LED功率，但现在技术还不成熟，主要是需要解决散热问题。

也可以通过多珠LED的串、并联或混联实现大功率LED灯具。

后两种效率较低，用的较少，多珠LED串联是目前LED灯具在照明领域应用的主流。

但是单珠串联有个致命弱点，一颗损坏，整路不通。

这是制约大功率LED灯具在照明领域应用的一大瓶颈。

提高LED灯具的功率，一是从芯片方面提高功率，另一是优化电路设计提高功率。

3.2散热技术
温度是影响LED 的一个重要因素，温度升高会使LED的光衰减加快，
而芯片结点处的温度直接影响LED的寿命，所以LED散热能力的强弱限制了LED的功率大小。

LED 内部的热量主要由LED 芯片和印刷电路板工作时产生，对于小功率LED，通过自然传导对流的方式就可以把热量散发出去，但对于大功率LED就要考虑多方面散热。

在散热设计上，通常从LED封装散热、电路板散热和增加散热部件等方面考虑。

用导热性能好的硅树脂封装，印刷电路板上采用导热绝缘层、金属基层等。

对于大功率LED路灯，解决散热问题除了LED本身有好的散热结构外，还要把路灯的外壳作为散热的渠道，将壳设计成散热面在侧上方且加散热鳍片以利于空气对流，或是将壳设计成风孔式对流散热，风扇辅助风冷和毛细管水冷等散热方式还在试验阶段。

汽车的LED前雾灯、前大灯等在灯具设计时增加铝制电路板、支架等加快散热。

在LED灯具的结构设计上，有人提出了在灯具中加热管散热器散热。

为了改善
散热效果，在灯具设计上需要考虑多方面因素，如灯体散热片的排列与布置要考虑间距、方向、表面处理等，在灯具金属外壳上涂上散热涂层等。

目前LED 产业的发展重点高功率、高亮度、小尺寸的产品，使用的是陶瓷散热基板作为其LED晶粒散热的途径。

3.3芯片技术和芯片封装技术
芯片技术发展的关键是衬底材料的选择和外延片的生长技术。

技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度和如何研发出更高效稳定的器件进行的，而如何提升LED芯片的发光效率则是目前整体技术指标的最重要衡量标准。

传统的衬底材料有蓝宝石、Si、SiC，目前比较热门的材料有ZnO、GaN等。

制
造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积。

据2011年LED环球
在线报道，美国北卡罗来纳州大学提出了一种新的氮化镓生长工艺，这一新工艺有望把材料的缺陷减低千分之一，从而制造出更高亮度的LED发光二级管。

3.4光学设计技术
LED 是点光源且方向性好，通过LED 点阵设计、透镜和反光装置的设计及二次光学设计甚至三次光学设计，可以达到较理想的配光曲线，这也是光
学设计的难点。

在整体照明中，需要灯具有较大的照射面，可以使用线性LED 灯条配以导光板等技术使之成为面光源。

LED汽车信号灯可由反射镜和配光镜组成，通过合理的设计可达到法规配光要求的光形分布。

3.5驱动技术
LED 恒流驱动一般有电感型和开关电容型两种LED驱动，电感型LED
驱动的驱动电流高，LED的端电压低，适用于驱动多只LED的应用。

电容型LED驱动常用在大功率LED灯具中，其LED的端电压和电流高，可获得高的功率和发光效率。

LED驱动电路的设计根据具体的需要可能会很复杂，但是在电路设计时必需考虑电源要有高的可靠稳定性以及电路要有浪涌保护等多种因素。

LED 灯具面临的技术问题除了上述，还有系统设计技术等问题有待进一步提高。

此外，在LED行业还没有形成统一的相关标准。

4.LED的市场前景
4.1全球LED 照明产业
国际上LED照明产业近年来保持40%的增长速度（见图4-1）。

面对LED 照明的巨大商机和令人鼓舞的发展前景，世界各国纷纷行动。

近年来，欧美日韩相继投入巨资，推出国家半导体照明计划。

图4-1 全球照明产业市场规模
从上图分析得出：
（1）2007年全球照明市场达913亿美元，2012年达1178亿美元，从2007年到2012年有30%的增长。

（2）照明市场的需求仍然属于强劲上扬的趋势。

随着经济和生活水平的不断提升人们对住宅、生活环境、消费环境的需求品位不断提升对照明需求提升的重要动力。

（3）LED 照明占总体照明的比率从2007 年的10%到现在的将近50%，2012年LED 照明灯具的规模达到52.9 亿美元，成为照明市场的绝对主力，替代传统照明器具。

（4）LED照明的成长速度显示，这是一个高速发展的朝阳产业。

4.2中国LED 照明产业
中国LED 产业起步于20 世纪70 年代。

经过30 多年的发展，中国LED 产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。

中国LED 产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后，目前已经实现了自主生产外延片和芯片。

自2005年以来中国LED产品技术创新与应用开发能力逐渐提高，器件可靠性研究位置越来越突出，测试技术与标准也渐成热点，所有这一切均标志着中国LED产业已经进入了一个崭新的发展阶段。

中国在发展LED产业方面有不少优势。

首先，中国有很大的市场需求。

其次，LED 照明产业是一个技术密集型和劳动密集型结合的产业，比较适合中国的国情，特别是2008 年以来，中国对于节能照明的财政补贴加大了企业投资节能照明产业的力度。

如果中国能够在外延、芯片的制备以及自主封装技术方面坚持自主创新，那么就完全有可能实现中国LED照明产业的跨越式发展。

据统计，2011年我国LED 照明产业产值近700 亿，芯片国产化率近50%。

目前我国LED 照明相关企业约3000 余家，出现了上、中游企业向下延伸，已出现并购重组的苗头，在金融危机背景下我国LED 照明产业呈现出逆势上扬的态势。

LED 节能照明产业成为了全球各国、各个相关企业争夺更大市场份额的主战场。

欧美等发达国家技术先进，在LED高科技领域具有很大的优势。

而我国起步较晚，先进的技术还要靠进口，所以导致了LED产品成本的大幅提高。

然而在室内家居照明应用领域，我国有庞大的需求市场，乃至在2011 年这方面的市场份额已经超过美国。

2012 年LED 的重点发展领域已经从高科技步入了通用家居照明市场，为家庭节能带来了可能性，而怎样将LED节能台灯成功地引入普通家庭是即将要解决的重要问题。

5.总结
该节能技术应用前景广阔，其是基于环保立场以及节约能源诉求，所以全球各国政府都很重视LED 灯具带来的经济与节能效益。

除了欧盟与美国国会均进行阶段性禁止白炽灯泡的使用外，目前已经有加拿大宣布2010 年全面禁止白炽灯泡，美国加州的部分州，也将在2010 年禁止白炙灯泡，而澳州则宣布在2010年全面禁止贩售白炽灯泡，中国、日本也有LED 奖励方案在规划中。

全球LED 生产厂商也看好这次照明革命的商机而纷纷投入，随着产量的增加，LED 灯具的价格也会随之降低，这将会迅速推进LED 灯具的普及性，也将会给世界能源节约做出不可估量额贡献。

参考文献
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