1.3 固體環(huán)保照明光源——白光LED

1.3.1 白光LED概述

隨著光電技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展，1998年基于藍光LED芯片的白光LED被成功開發(fā)出來，這一創(chuàng)新是LED照明的巨大轉(zhuǎn)折。目前，商品化的白光LED器件已達到白熾燈（發(fā)光效率16 lm/W）的水平，其發(fā)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(wěn)步增長之中。

根據(jù)應(yīng)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(fā)熱量低，耗電量小。又因為 LED 可以回收，不會變成環(huán)境污染的廢棄物，所以白光 LED是環(huán)保產(chǎn)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(yōu)點，因此它被公認(rèn)為21世紀(jì)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(tǒng)光源應(yīng)用于照明和光電信息系統(tǒng)之中。

1. 白光LED的結(jié)構(gòu)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(fā)的熒光粉發(fā)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(fā)藍（P=465nm，Wd=30nm），YAG熒光粉首次被藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光，峰值為550nm，LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，從而得到白光。

目前已商品化的產(chǎn)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(zhì)，然后利用藍光LED照射此熒光物質(zhì)，以產(chǎn)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(shù)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(xiàn)白光。這種方式的顯色指數(shù)高，符合一般的照明要求。目前已商品化的三波長光產(chǎn)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(yōu)點。總之，三色合成白光綜合性能最好，目前世界各生產(chǎn)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(fā)產(chǎn)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(dǎo)體照明，每年可節(jié)省2200多億千瓦時，而這個數(shù)字是三峽電站的年發(fā)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(jié)構(gòu)簡單、體積小。即使是多顆多種LED組合，仍然體積小；②省電，因為是直流低電壓、低電流驅(qū)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(jié)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(yīng)快，加電即亮，反應(yīng)速度快，可在高頻操作；⑤真正的綠色環(huán)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(fā)熱也無輻射，所以，白光LED是真正的綠色環(huán)保光源；⑥理論光效率高；⑦可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品。

1.3.2 用AC直接驅(qū)動白光LED的實用技術(shù)

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(dǎo)體器件，必須提供合適的直流才能正常發(fā)光。直流（DC）驅(qū)動白光LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，但我們?nèi)粘Ｕ彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣鳎ˋC 100～220V），所以必須使用變壓器或開關(guān)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。而且，無論是經(jīng)由變壓器加整流還是開關(guān)電源降壓，系統(tǒng)都會有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉(zhuǎn)換時有15%～30%的電力被損耗，系統(tǒng)效率很難做到90%以上。如果能用交流直接驅(qū)動LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應(yīng)用方案將大大簡化，系統(tǒng)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(fā)光；在交流的負(fù)半周時，沿細線通路流動，又有3串LED晶粒發(fā)光。這樣，四個橋臂上的LED晶粒輪流發(fā)光，相對橋臂上的LED晶粒同時發(fā)光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發(fā)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(fā)光是閃動的，但人眼有視覺暫留，因此 LED 光源的發(fā)光就被看做連續(xù)發(fā)光。LED 有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發(fā)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(chǎn)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(yīng)用技術(shù)

AC LED的典型應(yīng)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(shù)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(chǎn)時，其阻抗有一定的離散性，為便于應(yīng)用，LED光源生產(chǎn)廠商在出廠時對批量生產(chǎn)的產(chǎn)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(yīng)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(xiàn)行照明光源的比較

白光LED仍處于發(fā)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(xiàn)行照明設(shè)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(guī)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(fā)光效率以每年60%的速度開發(fā)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?zé)簟晒馊展鉄簟晒夤?jié)能燈、直流LED燈相比，AC LED燈具有更節(jié)能省電、更長壽、更有能效的高性價比。AC LED發(fā)光省去了成本不菲的AC/DC轉(zhuǎn)換器和恒流源。交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較如表1-5所示。

DC LED的交直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(fēng)險。故AC LED在照明燈具上，應(yīng)避免金屬片的裸露，而應(yīng)該間接地把熱帶走，這也是發(fā)展新的充液LED固態(tài)照明燈具的設(shè)計核心概念。

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