1.3 固體環保照明光源——白光LED

1.3.1 白光LED概述

隨著光電技術及材料科學的發展，1998年基于藍光LED芯片的白光LED被成功開發出來，這一創新是LED照明的巨大轉折。目前，商品化的白光LED器件已達到白熾燈（發光效率16 lm/W）的水平，其發光效率已接近熒光燈（20W的燈管為60 lm/W，40W的燈管為100 lm/W）的水平，并且在穩步增長之中。

根據應用對象的不同，允許多個LED組合。由于LED的低電壓、低電流，因而白光LED發熱量低，耗電量小。又因為 LED 可以回收，不會變成環境污染的廢棄物，所以白光 LED是環保產品。由于這種固體光源具有耐震動、抗沖擊、長壽命和無污染等獨特的優點，因此它被公認為21世紀的新一代光源，即第三代電光源。白光LED必將替代白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈等傳統光源應用于照明和光電信息系統之中。

1. 白光LED的結構與原理

眾所周知，白光是由多種顏色的光混合而成的。人類眼睛所能見的白光至少需要兩種以上的光混合，一般有以下兩種混合方式。

（1）單晶型

二波長光，即藍色光與黃色光混合：藍色 LED 芯片里涂敷高效黃色熒光粉，藍光與被藍光激發的熒光粉發射的黃光相混互襯后得到不同色溫的白光。

藍光LED芯片涂敷黃色熒光粉的方法如圖1-8所示，其中CaN芯片發藍（P=465nm，Wd=30nm），YAG熒光粉首次被藍光激發后發出黃色光，峰值為550nm，LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，從而得到白光。

目前已商品化的產品大多為二波段藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉。例如，以460nm波長的InGaN藍光晶粒涂上一層YAG熒光物質，然后利用藍光LED照射此熒光物質，以產生與藍光互補的黃光，再利用透鏡的原理將互補的黃光、藍光予以混合，便得出了肉眼所能見到的白光。但二波長光顯色指數受到限制，最好還是要用三色途徑。

（2）多晶型

三波長光，即紅色光、綠色光與藍色光混合：直接將紅、綠、藍三種顏色的 LED 芯片組成一組，實現白光。這種方式的顯色指數高，符合一般的照明要求。目前已商品化的三波長光產品大多以無機紫外光晶片加 R、G、B 三顏色熒光粉。此外，用有機單層三波長型白光LED也有成本低、制作容易的優點。總之，三色合成白光綜合性能最好，目前世界各生產廠家大都在走此途徑。如日本化成、三菱、豐田等公司用波長為382nm的紫外光GaN LED芯片與紫外光激發產生的紅、綠、藍光的熒光材料組合，研制出了效率達30 lm/W的白光LED。

目前，我國每年用于照明的電力接近2500億千瓦時，如果采用半導體照明，每年可節省2200多億千瓦時，而這個數字是三峽電站的年發電量的3倍。

2. 白光LED的特點

白光LED與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比，具有如下突出的特點：①全固體、結構簡單、體積小。即使是多顆多種LED組合，仍然體積??；②省電，因為是直流低電壓、低電流驅動，所以耗電量小，其電能消耗僅為白熾燈的1/10、熒光燈的1/2。如采用白光LED照明，全國每年可節電2200多億千瓦時；③壽命長，一般可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍；④響應快，加電即亮，反應速度快，可在高頻操作；⑤真正的綠色環保光源，因為白光LED是固體，所以耐震動、耐沖擊、不易破碎、無毒，且廢棄物可回收而無污染；由于光譜中沒有紫外線和紅外線，因而不發熱也無輻射，所以，白光LED是真正的綠色環保光源；⑥理論光效率高；⑦可平面封裝，易開發成輕薄短小的產品。

1.3.2 用AC直接驅動白光LED的實用技術

目前的LED光源是低電壓（VF=2～3.6V）、大電流（IF=200～1500mA）工作的半導體器件，必須提供合適的直流才能正常發光。直流（DC）驅動白光LED光源發光的技術已經越來越成熟，但我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100～220V），所以必須使用變壓器或開關電源降壓，將交流變換成直流，再變換成直流恒流源，才能使LED光源發光，如圖1-9所示。LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個模塊，但由于E27標準螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。而且，無論是經由變壓器加整流還是開關電源降壓，系統都會有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉換時有15%～30%的電力被損耗，系統效率很難做到90%以上。如果能用交流直接驅動LED光源發光，系統應用方案將大大簡化，系統效率將很輕松地達到90%以上。

1. AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如圖1-10所示。

將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列均分為五串，AC LED晶粒串的組成類似整流橋，整流橋的兩端分別連接交流源，另兩端連接一串LED晶粒。在交流的正半周時，電流沿粗線通路流動，3串LED晶粒發光；在交流的負半周時，沿細線通路流動，又有3串LED晶粒發光。這樣，四個橋臂上的LED晶粒輪流發光，相對橋臂上的LED晶粒同時發光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發光。在市電50Hz的交流中，會以50次/秒的頻率輪流點亮。由于整流橋取得的直流是脈動直流，實際LED的發光是閃動的，但人眼有視覺暫留，因此 LED 光源的發光就被看做連續發光。LED 有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發熱得以減少20%～40%。因此，AC LED的使用壽命較DC LED長。

AC LED成熟的產品有韓國首爾用于AC110V的AX3201、AX3211（它們的功率為3.3～4W，工作電流為40mA）和用于220V的AX3221、AX3231（它們的功率為3.3～4W，工作電流為20mA）。LED晶粒直接綁定在銅鋁基板上，其引腳如圖1-11所示。

2. AC LED的典型應用技術

AC LED的典型應用電原理圖如圖1-12所示，在AC LED兩端分別串入正溫度系數熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可進入照明工作。

LED在大批量生產時，其阻抗有一定的離散性，為便于應用，LED光源生產廠商在出廠時對批量生產的產品按阻抗分擋，客戶在使用時可按LED光源廠家提供的VF分擋表，查用相應阻值的限流電阻。AX3221/AX3231的VF分擋與限流電阻表如表1-3所示。

1.3.3 白光LED與現行照明光源的比較

白光LED仍處于發展階段，在使用壽命、提高光效率、降低成本方面仍需進一步改進，但基本上沒有白熾燈泡、熒光燈的缺點。白光LED與現行照明設備白熾鎢絲燈泡及熒光燈的比較如表1-4所示。

目前，白光LED價格與常規燈泡相比仍有很大差距，這是它未能得到普及的主要原因。若白光 LED 發光效率以每年60%的速度開發下去，要達到大型化、低價化、使用壽命長的照明用光源是不成問題的。

與白熾燈、鹵素燈、熒光日光燈、熒光節能燈、直流LED燈相比，AC LED燈具有更節能省電、更長壽、更有能效的高性價比。AC LED發光省去了成本不菲的AC/DC轉換器和恒流源。交流LED與現有的照明燈具性能比較如表1-5所示。

DC LED的交直流轉換器是一種隨著時間會老化、壞掉的電子元器件，其壽命比LED光源本身更短，因此實用中均是交直流轉換器先壞掉了。而AC LED采用交錯的矩陣式排列，是輪流點亮的，如在50Hz的交流中會以50次/秒的頻率輪流點亮，也讓AC LED的使用壽命較DC LED長。

但AC LED現階段有兩個缺點：①AC LED剛剛起步，目前光源效率還沒有DC LED高；②AC LED有觸電的風險。故AC LED在照明燈具上，應避免金屬片的裸露，而應該間接地把熱帶走，這也是發展新的充液LED固態照明燈具的設計核心概念。

目前，AC LED在發光亮度、功率等方面還不夠理想，但它有應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率等特點，已顯現出了強大的生命力。要不了幾年，高亮度、大功率、低成本的產品將大量面世。