LED照明灯发展概况

1、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英寸笔记本电脑中。它

2、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。这不仅用于无电区，同样适合于城

3、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 LED灯泡（1

4、5W）、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 LED的用户中占

5、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 1071141m （其功率为0.35A X 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。t

6、B*律 bk!皿E SE- ! H9DK -rr一i3Pnn-旬iBKBSUH-fcOMFS- ntn -a-w花sw-ill廿-mt 匸IHTT礼事JIM表1列出目前各种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

7、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 14401m光通量，若采用白炽灯 则需要100W。另外，用一个651m的1W白光LED做成的强光手电筒，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2

8、025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）。-Nf T弋

9、 jIir気一al. - 1*1JrFt! * 1LED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，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

10、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L

11、ED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

12、，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）、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2.28mmB、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

13、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，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。坏彌脂（胶）厂晶片二、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

14、沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。三、晶片（Chip）：P电极p成长层 N成长层忖电极发光二极管和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(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 )、

15、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)。+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光粉混合而成。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

16、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=1000mcdG 、波长：反映晶片的发光颜色。不同波长的晶片其发光颜色也就不同。单位：nmH、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

17、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：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、

18、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 字体选择：大 中 小 、 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

19、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、 DVD 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

20、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

21、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

22、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至U WH250 -XXX的20mA -到-15A中的所需型号。对 LED进行无损保护，延长寿命。例如：WH250 -020用在220V、20mA的LED电路中，当电流超过40mA 时，WH

23、PTC 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

24、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，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

25、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

26、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*r J J- V 丰于C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。2 LED本身质量或生产制程造成。预防方法有：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