LED照明灯发展概况.docx

1、LED照明灯发展概况LED照明灯发展概况自高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命长的特点，在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。这里举几个实例。1. 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯（CCFT）。由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特点，在便 携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高，白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产 品，目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记

2、本电脑中。它已成为LED最大用户之一，占LED年产量的30%左右。2. 采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍，给出的强光可满足相机补光的要求。驱动LED闪光灯的电路无须高压电源，也没有较长的时间充电的缺点，可获得更多的抓拍机会，并使电池使用时间更长。图1 LED照明系统结构框图图2 太阳能光控LED路灯3. 采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。我国的太阳能电池生产量很大，2006年已达到370MW，太阳能组件的生产能力已大于 1000MW。这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电

3、区，同样适合于城镇（在国外，主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太 阳能光电产业）。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统，其结构框图如图1所示。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成 LED路灯，能自动地天黑点亮，天亮关断，其结构框图如图2所示。利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的，但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池，但可惜的是95%用于出口，留在国内应用仅5%，目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。4. 采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚，在2004年后不少单位采用5高亮度白光LED开发出小功率LE

4、D灯泡（15W）、1520W的管灯 及4060W的路灯、投射灯等产品，但并未量产。在我国南方一些工厂生产出各种15W LED灯泡及一些白光LED灯具，但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的有：矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明 灯等。另外，有一些城市用LED路灯作试点工作，但尚未普及。用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十 分重大的。北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说：“如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯，每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总 和。”从目前来看，用白光LED灯取代白炽灯还刚开始，在L

5、ED的用户中占很小的比例，不足LED年产量的3%。发光效率突破100lm/W随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进， 使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。15W的白光LED从以前的发光效率为3040lm/W提高到5060 lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如，Cree公司的一种4W冷白光LED，其光通量分挡，在350mA电流时其最高挡可达107114lm（其功率为0.35A 3.3V=1.15W，其发光效率为9399lm/W），典型的发光效率是80lm/W，而发展的目标是200lm/W。表1列出目前各种

6、灯类的一些主要参数，从表1中可以看出，在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯，也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯（节能荧光灯），这意味着：白光LED灯比它们更亮、更节电；而在寿命上则遥遥领先。大 功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件，目前逐步用13W大功率白光LED来取代小功率5白光LED设计LED灯。用1个到几 个（或十几个）LED替代了几十个到几百个小功率5白光LED，不仅增加了亮度、减小了体积，还提高了可靠性、简化了工艺。例如，采用18个1W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量，若采用白炽灯则需要100W。另外，用一个65lm的1W白光LED做成的强光

7、手电筒，它可照射几十米远；若采用5LED来做则是不可能做到的。LED灯难进百姓家上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高，并开发出应用于各种场合的白光LED 灯，但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题，主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高，并且价格太贵，使一般百姓家难以接受。以家庭常用 的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是810元，3W的单价是2025元（与LED的质量及品牌有 关），另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润，则单价可能要120元以上。从表2可以看出：9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不 大，但单价要

8、比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提 高到150lm/W时，LED灯才能普及，这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间（这有质量上的提高及价格下降的过程），白光 LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些（5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元，现在批量单价已降低到0.1250.15元）。LED灯路在何方白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大，但真的要在我国进入百姓家还有很多工作 要做，要在技术上（发光效率达到120150lm/W）、价格上（要比现在的价格降低810倍）有重大的突破

9、，还需要不断的努力。白光LED照明灯的 推广及普及工作是一项系统工程、重大项目，需要国家的规划、引导及扶持，在政策上及经济上的支持。我国现在在上海、南昌、大连、厦门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位，他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。目 前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高，并可降 低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验，有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户，对节电能起到很大作用。它们是:1. 城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）；2. 隧道及地下停车场（包括

10、地下商场）；3. 交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯）；4. 大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等；5. 无电区的LED灯照明工程。由 于LED照明灯一般采用低压直流（恒流）供电。若采用交流220V市电供电，需要专门的变电装置输出低压直流电（如12V、24V等）并由LED驱动器来 驱动LED灯，如图3所示。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯，则在建筑设计中都把它设计在内，这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要 改造成LED照明，则改造的费用大、改造的时间长（如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系

11、统）。新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些，费用要高得多，如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。图3 给LED供变电电路结束语LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户，可能还要等几年。LED Lamp(led 灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。 一、支架： 1）、支架的作用：用来导电和支撑 2）、支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。 3

12、）、支架的种类：带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型的Lamp。 A、2002杯/平头：此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin长比其他支架要短10mm左右。Pin间距为2.28mm B、2003杯/平头：一般用来做5以上的Lamp，外露pin长为+29mm、-27mm。Pin间距为2.54mm。 C、2004杯/平头:用来做3左右的Lamp，Pin长及间距同2003支架。 D、2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。 E、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。 F、2009：用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，

13、三支pin脚控制极性。 G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。 二、银胶 银胶的作用：固定晶片和导电的作用。 银胶的主要成份：银粉占75-80%、EPOXY（环氧树脂）占10-15%、添加剂占5-10%。 银胶的使用：冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后，银粉会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。 三、晶片（Chip）： 发光二极管和led芯片的结构组成 1）、晶片的作用：晶片是LED Lamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。 2）、晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（

14、GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。 3）、晶片的结构： 焊单线正极性（P/N结构）晶片，双线晶片。晶片的尺寸单位：mil 晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。 4）、晶片的发光颜色： 晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、红色（615-635nm）、琥珀色 （600-610nm）、黄色（580-595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（450-480nm）、紫色 (380-430nm)。 白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+

15、红色荧光粉混合而成。 5）、晶片的主要技术参数： A、晶片的伏安特性图： B、顺向电压（VF）：施加在晶片两端，使晶片正向导通的电压。此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。VF过大，会使晶片被击穿。 C、顺向电流（IF）：晶片在施加一定电压后，所产生的正向导通电流。IF的大小，与顺向电压的大小有关。晶片的工作电流在10-20mA左右。 D、逆向电压（VR）：施加在晶片上的反向电压。 E、逆向电流（IR）：是指晶片在施加反向电压后，所产生的一个漏电流。此电流越小越好。因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。 F、亮度（IV）：指光源的明亮程度。单位换算：1cd=1000mcd G、波长：反映晶片

16、的发光颜色。不同波长的晶片其发光颜色也就不同。单位：nm H、光：是电磁波的一种。波长在0.1mm-10nm之电磁波称为光。 光可分为：波长大于0.1mm称为电波；760nm-0.1nm叫红外光;380nm-760nm叫可见光; 10nm-380nm叫紫外光；波长小于10nm的是X线光。 四、金线： 金线的作用：连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。 金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。 五、环氧树脂： 环氧树脂的作用：保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。 封装树脂包括：

17、A胶（主剂）、B胶（硬化剂）、DP（扩散剂）、CP（着色剂）四部份组成。其主要成分为环氧树脂（Epoxy Resin）、酸酐类（酸无水物 Anhydride）、高光扩散性填料（Light diffusion）及热安定性染料（dye） 六、模条： 模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良。LED用于照明灯具目前存在的主要问题一、LED做照明灯具目前存在的问题 称为希望之光的LED,从1964年发明至今，已发展到普及化照明的时代，其节能、环保、亮度高、功耗小、寿命长、耐冲击等优点，前景极为广

18、阔；在室内照明的起步阶段，还有其固有的缺点，主要表现在以下几方面：1、不一致性带来的问题：理论上LED都是能发光的二极管，而实际上所有LED的 电性能都是有差异的，每个厂家的生产工艺是不一致的，甚至相差很大，就是同一厂家的不同时间的工艺都是有差异的；不同厂家使用的半导体原材料的纯度是有差 异的，这就使LED的发光强度与驱动电流是不完全相同、耐过电流能力和发热的差异也就自然而然的不同了；封装工艺和封装材料的不同，使得整体的散热能力是 不一样的，还有组合材料的热彭胀与散热的问题等。由此不难看出,LED发光二极管在短期内仍存在个体之间的很大的差异，如果每个灯只用一个LED，好控 制。例如电视机、DV

19、D上的电源指示灯；而当我们用LED制作照明灯具时，就不是用单个的LED，而是用多个、上百上千个LED成阵列接入电路，因LED 的差异总有一个最先损坏，当有几个坏掉时(通常是短路)，会使电流增大而损坏其他的LED。这就是不一致性带的结果，也是制约其发展的因素之一。2、驱动电路复杂的问题：a.在电压匹配方面，LED不象普通的白炽灯泡，可以直 接连接220V的交流市电。LED是2-3.伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源。b.在电流供应方面， LED的正常工作电流在18mA-20mA，供电电流小于15mA时LED的发光强度不够，而大于20mA时，发生光衰而导

20、致LED老化，同时发热大增， 老化加快、寿命缩短，当超过50mA时会很快损坏，为了延长LED照明灯的使用寿命，常用集成电路电源、电子变压器、分离元件电源等，大电流驱动时，要配 大功率管或可控硅器件，另加保护电路，要恒流、恒压电路供电，这样电源电路复杂，故障率、元件成本、生产成本、服务成本都将升高。这就大大地限制了市场的 竞争力与购买群体。二、LED照明电路的特点：A、多LED灯的串、并联矩阵结构；B、不需要控制亮度；C、LED的电流在一定范围变化不会明显影响照度；D、LED损坏的原因多是电流过大，超过50mA，较小的电压变化引起较大的电流变化。所以控制过电流即可，这为电路的简化提供依据。三、解

21、决问题的方法：如果用WHPTC过流保护器 作保护，从原理可知，当电路的电流超过规定值时会讯速的自动保护，在排除故障后又自动复位，无需人工更换。对LED而言，电压的变化不是LED损坏的直接 原因，而电流的增大才是LED的真正杀手。利用这个特性，在LED的电路保护上具有绝对的优势，让简易电源供电变为现实。实践证明，在LED电路出现故障 以前就有效保护了。如下图可见，因有了WHPTC可省去恒流、恒压电路，。器件成本、生产成本、服务成本都大大降低。也大大增加了产品的市场竞争力。四、型号选择：可选择WH6-XXX 到 WH250-XXX 的 20mA-到-15A 中的所需型号。对LED进行无损保护，延长

22、寿命。例如：WH250-020 用在220V、20mA的LED电路中，当电流超过40mA时，WHPTC在20秒左右保护。专家指点：WHPTC保护时，其续电流使LED继续点亮，只是光暗而不是熄灭，这是其它保护电路不具备的优点，如果是干扰电流或电压导致保护，则干扰过去后，LED自动恢复正常点亮，而不需要人工更换或维修。五、WHPTC系列产品可用于下列的照明、装饰、景观等灯具的电路保护：各种LED日光灯、球泡灯、杯灯、吸顶灯、路桥灯、交通灯、隧道灯、护栏灯、空中探照灯、激光灯、投光灯、庭院灯、地埋、水底灯、墙角灯、地脚灯、幕墙灯、盒灯、迪吧灯、酒吧灯、地砖灯、广场灯、节日灯、工艺灯、线条灯、气车灯等

23、LED灯。大功率LED技术的进步也使得设计阶段的散热考虑变得越来越重要。为了避免LED的加速老化，或者最坏情况的完全报废，LED本身不能过热。一旦大功率LED的发热效率高于发光效率，输入功率产生热而不发光的比例就非常高。所以，在设计阶段就必须考虑采用良好的散热来保证LED工作可靠，并且允许它在更高的环境温度下也能够工作。而在选择LED驱动电路时，则必须考虑器件的散热。确保LED芯片不致过热的一个重要指标就是正向电流。在 实际使用中，经常将工作电流设置在一个很低的水平，以确保即使在很高的环境温度下 LED也不至于过热。然而，如果LED的工作电流与温度不相关，就会带来一个很大的问题：当温度过高时，

24、LED的工作条件就超出了其规范的要求。此外，在 很低的温度下，供给LED的电流会极大地低于最大允许电流。LED驱动电路中的热敏电阻因此，人们希望控制LED的 驱动电流并使之降低LED额定工作条件。某些价格昂贵的LED驱动IC可以实现这种功 能，它采用内部或外部的温度传感器来感知温度并进行反馈控制。而我们则希望通过在LED驱动电路中采用PTC热敏电阻来提供一种简单的方法。它具有如下优 点。 在室温的情况下，正向电流是增加的。 由于减少了LED的数量，所以成本可以降低。此外，可以采用价格低廉的驱动IC，或者甚至也可以采用不具有集成温度管理功能的驱动电路。 可以设计一个不需要IC控制，但仍能够根据环

25、境温度调整LED工作电流的电路。 也可以采用低成本的LED，只是需要降低额定工作条件和提供更小的安全裕量。 如果增加过热保护功能，LED的可靠性会得到提高。 在散热方面也可以采用散热器（片）等方法。使用WHPTC前后的拓扑结构比较图浅谈LED产品老化 我们在应用LED时经常会出现这样种问题，LED焊在产品上刚开始的时候是正常工作的，但点亮一段时间以后就会出现暗光、闪动、故障、间断亮等现象，给产品带来严重的损害。引起这种现象的原因大致有：1应用产品时，焊接制程有问题，例如焊接温度过高焊接时间过长，没有做好防静电工作等，这些问题95以上是封装过程造成。2LED本身质量或生产制程造成。 预防方法有：

26、1.做好焊接制程的控制。2.对产品进行老化测试。老化是电子产品可靠性的重要保证，是产品生产的最后必不 可少的一步。LED产品在老化后可以提升效能，并有助于后期使用的效能稳定。LED老化测试在产品质量控制是一个非常重要的环节，但在很多时候往往被忽 视，无法进行正确有效的老化。LED老化测试是根据产品的故障率曲线即浴盆曲线的特征而采取的对策，以此来提高产品的可靠性，但这种方法并不是必需的，毕 竟老化测试是以牺牲单颗LED产品的寿命为代价的。LED老化方式包括恒流老化及恒压老化。恒流源是指电流 在任何时间都恒定不变的。有频率的问题，就不是恒流了。那是交流或脉动电流。交流或脉动电流源可以设计成有效值恒

27、定不变，但这种电源无法称做恒流源。 恒流老化是最符合LED电流工作特征，是最科学的LED老化方式；过电流冲击老化也是厂家最新采用的一种老化手段，通过使用频率可调，电流可调的恒流源进 行此类老化，以期在短时间内判断LED的质量预期寿命，并且可挑出很多常规老化无法挑出的隐患LED。 有效防止高温失灵-PTC热敏电阻用作LED限流器 近年来，发光二极管(简称LED)的发展已取得巨大进步：已从纯粹用作指示灯发展为光输出达100流明以上的大功率LED。不久之后，LED照明的成本将 降至与传统冷阴极荧光灯(简称CCFL)类似的水平。这使得人们对LED的下述应用兴趣日浓： 汽车照明灯、建筑物内外的LED光源

28、、以及笔记本电脑或电视机LCD屏的背光。 大功率LED技术的发展提高了设计阶段对散热的要求。就像所有其它半导体一样，LED不能过热，以免加速输出的减弱，或者导致最坏状况：完全失效。与白炽 灯相比，虽然大功率LED具有更高效率，但是输入功率中相当大的一部分仍变成热能而非光能。因而，可靠的运作就需要良好的散热，并要求在设计阶段就考虑高 温环境。 设计LED驱动电路尺寸时，也必须考虑温度因素：必须选择其正向电流，以确保即使环境温度达到最高值，LED芯片也不会过热。随着温度的升高，就需要 通过降低最高容许电流，即降低额定值，来实现降温。LED制造商把降额曲线纳入其产品规格中。有关此类曲线，参见图1。图1 LED降频曲线利用无温度依赖性的电源运行 LED存在弊端：在高温区域内，LED则超出规格范围运行。此外，当处于低温区域时，照明源就由明显低于最大容许电流(参见图1红色曲线)的电流供电。如 图1的绿色曲线所示，通过LED驱动电路中的正温度系数热敏电阻(简称PTC热敏电阻)来控制LED电流是一个重大改进。这至少可以带来下列好处：