??摘要 ??随着全球能源的日益短缺,能源是人类的宝贵资源已被广泛认识,人类为了节约能源,利用现代科学技术不断开发各种节能产品,其中LED照明产品就是根据节能理念而开发的.面对全球能源危机的今天,节约能源是我们未来面临的问题,文章特别针对LED照明节能技术加以研究,并分别设计出小功率LED和大功率LED照明灯.
??关键词 ??LED照明灯;恒流源;大功率LED;小功率LED
0??引言
LED是英文LightEmittingDiode的简称,是一种具有两个电极的半导体发光器件,让其流过小量电流就会发出可见光,它是以半导体芯片为材料的固态光源,依靠电子空穴复合发光,将电能转换成光能的,发光效率高达80%以上.LED能耗仅为白炽灯的10%,荧光灯的50%;它采用固体封装,寿命是荧光灯的10倍,白炽灯的100倍;它无需使用玻璃真空封装,不产生毒气和汞污染.LED是继火、白炽灯、荧光灯之后人类照明的第四次革命.LED照明始于20世纪60年代,最初的发光二极管发光效率和亮度较低,只能用作仪表指示灯.随着20世纪下半叶技术的快速进步,特别是新材料的不断出现,LED的发光效率和能量转换效率都在快速提高.到2000年前后,效率指标已经达到并超过了荧光灯,被视为人类照明的第四次革命.
1??LED的分类
1.1??按发光颜色分类
LED发光管的发光颜色不同,其化学成分不同.红色的化学成分有:铝、铟、镓和磷化物;绿色和蓝色的化学成分有铟、镓和氮化物;白色和其他色都是用RGB三基色按适当的比例混合而成的.
1.2??按发光二极管的结构分类
LED基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,分有全环氧封装、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构,从而起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好.
2??LED照明灯的设计
2.1??LED照明灯工作原理
LED之所以发光,其机理是PN结的端电压构成一定势垒,当加正向偏置电压时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散.由于电子迁移率比空穴迁移率大得多,所以会出现大量电子向P区扩散,构成对P区少数载流子的注入[1].这些电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放出去,这就是PN结发光的原理.而LED照明灯就是把若干个LED组合在一起,再通过恒流源供电驱动LED发光.
2.2??小功率LED照明节能灯的设计
2.2.1??技术设计参数
38灯珠小功率LED照明灯的设计,其外观结构如图1所示,灯壳外径为62mm,灯壳高度为56mm,灯高为86mm,灯口类型为E27.
LED的亮度为1300~1600mcd,色温为6000~7000K,显色指数为80Ra,光源颜色为白或暖白,防护等级为IP40,环境温度范围为-20!~+45!,驱动方式为阻容降压非隔离,额定功率为1W,额定电压为AC220V,工作频率为50~60Hz.
2.2.2??LED驱动电路设计
LED光源属于半导体光源,小功率LED采用恒定电流的方式供电.38灯珠小功率LED照明灯驱动电路如图2所示.
这是一种简单实用的阻容降压非隔离LED恒流驱动电路.其电路特点是简单实用成本低廉,且有工作可靠性高、元件自身功耗低等特点.其中C1为降压电容,R2为电容C1的放点电阻.D1,D2,D3,D4构成典型桥式整流电路.C2为滤波电容,R3为限流电阻.R1为具有负温度系数的热敏电阻,起到一定的温度补偿作用,同时具有抑制浪涌电流的作用,用以保护LED的正常运行.
2.2.3??LED照明灯板的工艺设计
38灯珠小功率LED照明灯板的工艺设计如图3所示,灯板材料采用厚度为1.5mm的单面PCB环氧板.
小功率LED灯珠虽然散热量不大,但在设计灯珠的位置时也要选择适当的排列密度.为增加散热面积,在PCB电路设计时尽量使覆铜板焊盘加大面积,形成扇形焊盘,从而在不增加成本的前提下,提高LED灯珠的散热能力,这样有利于提高LED灯珠的寿命.灯板另一设计特色是在灯板安装灯珠面采用光敏处理工艺,印刷一层反光材料,这样可以减少部分光源被灯板吸收.
2.3??大功率LED照明节能灯的设计
2.3.1??技术设计参数
以大功率LED照明射灯设计为例,其外观结构如图4所示,灯杯规格50mm*64mm,灯口类型为E27.
LED数量为3粒,光通量为240lm,LED色温是5000~7000K,显色指数为80Ra,光源颜色为白/暖白,防护等级为IP40,环境温度为-30!~+55!,驱动方式为恒流源,额定功率为3W,额定电压为AC220V,工作频率为50~60Hz,平均寿命为50000h以上.
2.3.2??LED驱动电路设计
LED驱动电路的设计一般要保证两个基本点,第一首先是要保证输出的恒流特性,其次是要做到自身的功耗尽量低.大功率LED驱动电路如图5所示,其电路的输入设计思路是让它能够适应更宽的输入范围,如果是直流输入可以不经过AC/DC模块而直接从+12V处输入,它的适应范围是8V~30V;如果是交流输入则要通过AC/DC模块将交流输入转换成直流输入.AC/DC模块的电压适应范围一般较宽.D1,D2,D3,D4构成桥式整流,C1为滤波电容.
恒流源设计选用恒流驱动芯片PT4115,该芯片是属降压驱动芯片,它采用连续电感电流导通模式工作.输出电流可调,最大可达1.2A,可以驱动单颗或多颗串联的大功率LED灯珠.R1为采样电阻,其数值变化可以决定输出电流的大小,一般选用精度大于1%的金属膜电阻.D5为续流二极管,为电感提供放电回路.该电路中电感L是整流电感,它可将脉冲电流变成较平缓的三角波电流.
2.3.3??LED射灯杯工艺设计
大功率LED灯杯设计主要需要解决的就是散热问题.如果散热不良会加快LED灯珠的光衰,直接影响LED灯珠的寿命.散热从三个方面严格控制,首先灯珠选用易于散热的表贴元件,其二电路板采用新型的铝基板材料制作,最重要的是灯杯采用了高密度压铸铝合金叶片剖槽设计,使得散热面积更大,散热性能更高.
2.4??LED照明节能灯的主要特点
LED照明灯首先具有高效节能的特点,1000h仅耗几度电,节能显著;其次由于LED是半导体芯片发光,既无灯丝,又无玻璃泡,因而不怕震动和不易破碎,故具有超长的使用寿命特点,使用寿命可达5~10万h[2],是传统钨丝灯的50倍以上;再则就是LED照明灯不含汞等有害元素,利于回收,而且不会产生电磁干扰,对环境没有任何污染,故其具有绿色环保的特点.
LED节能灯具有光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗,绿色环保,适用各种公共场所长时间照明.
3??结束语
LED照明灯是利用高亮度白色发光二极管的发光源进行发光的,其光效高、耗电少、寿命长、易控制、免维护且安全环保,是新一代固体冷光源.众多优点预示LED照明灯必然将逐步取代传统的光源.
LED的制造过程类似于半导体,但加工的精度不如半导体,目前成本仍然较高.相信随着LED技术的不断提高,它的发光效率正在取得惊人的突破,价格也在不断地降低.LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势.