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大功率LED灯的制作及其应用(半导体照明)

时间:2010-07-03 来源: 编辑: 点击:次 字体设置:
人类的生产和生活离不开照明。电能照明开创了人类文明的新时代。用电能照明需要有电光源。伟大的发明家爱迪生发明了第一代电光源----白炽灯。随着技术的进步,电光源经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三个时代,发光效率越来越高,人们的生活也随之更加丰富多彩。

近年来,由于半导体光电子技术的进步,又一代新光源----发光二极管的发光效率迅速提高,预示着一个新光源时代的到来。目前,国产商品化白光发光二极管的发光效率已经达到50lm/w,远远超过了15lm/w的白炽灯,光效和60lm/w的荧光灯相近。日本企业今年计划量产100lm/w以上的白光发光二极管,这一指标超过了80lm/w的稀土三基色荧光灯,逼近光效140lm/w的钠灯,就发光二极管的技术潜力和发展趋势来看,其发光效率将达到200lm/w以上,超过当前光效最高的高强度气体放电灯,成为世界上最亮的光源。因此,业界认为,半导体照明将创造照明产业的第四次革命。

半导体照明最大量的应用将是普通照明领域。半导体灯用于普通照明一般要有比较大的功率。虽然就目前的技术状况来看,商品化发光二极管的成本和光效还不太适合用于大功率的普通照明,但由于发光二极管有安全,长寿命,颜色种类多,不怕闪烁,调控方便等优点,在某些场合应用能够形成综合成本优势,实际上已经开始在大功率照明方面获得应用。

制造大功率LED灯既可以用大功率发光管也可以用小功率发光管。但不管是用大功率管还是用小功率管,技术关键都是要解决好电源变换问题和灯体的散热问题。下面分别给出用大功率LED灯和用小功率发光管制做半导体灯的实现方案。
大功率半导体灯的驱动方法

发光二极管是电流驱动的器件,因此,电源变换器的功能就是对原始电源做变换,为发光二极管提供稳定的单向驱动电流,保证发光管在比较高的发光效率和比较低的光衰下工作。

用大功率发光二极管制作半导体灯可以使用AP-2B320驱动器,该驱动器用220伏交流市电供电,给发光二极管提供320mA稳定的单向电流,可以串连驱动10----40只1瓦的大功率发光二极管工作。适合制作10—40瓦的半导体灯。该驱动器使用高频变换技术保持输出电流的稳定性,效率高,体积小。这种驱动器是模块化结构,无外围元器件。驱动器有四根引线,两根线接交流市电,两根线接发光管,通电即可工作。驱动器的体积为:50x38x25mm。

用大功率发光二极管制作半导体灯用的发光二极管少,没有外围元器件,结构简单,制作容易。但目前大功率发光二极管价格相对较高,因此,灯的成本高。
用小功率发光二极管制作大功率半导体灯用的管数很多,所以要用串/并联结构。目前有两种比较好的技术方案:

第一种方案是用ZL-220V/0.5A整流器将交流市电整流滤波,使之成为平滑的直流电,再使用多个DP-2B4驱动器驱动发光管。DP-2B4驱动器是专用的小功率发光二极管驱动器,使用高频变换技术保持输出电流的稳定性,效率高,体积小。高压直流供电,输入电压范围为直流240—350伏,72mA单向电流输出,可以并联驱动4串小功率发光二极管,每串串联管数为5—50只,最多驱动200只小功率发光管。这种驱动器是模块化结构,有4根引线,两根线接电源,两根线接发光管。通电即可工作。驱动器体积为:24x21.5x16.mm。

小功率发光管输入的功率只有大约50毫瓦,如果要制作30瓦的半导体灯需要用600只小功率发光二极管,600个小功率发光管需要3个驱动器。另外还要配一个带滤波的整流器。由于输入电流小,配套的整流器连续工作电流大于300mA即可。
另一种方案是使用前述的AP-2B320驱动器直接并联驱动18--20串小功率发光管,没串管数10--50只。最多可带1000只小功率发光管。

这种方案灯的结构更简单,成本也比用多个小功率驱动器加整流器的方案低。
发光管在制造时同一种管型正向压降也不可能完全一样,并且发光二极管的管压降具有负温度系数,这会导致多串发光管并联使用时各串之间的电流不一致,因此,多串发光管并联使用每串发光二极管要串联一个电阻以平衡各串发光管之间的电流。

小功率发光管制做大功率半导体灯使用的元器件多,结构复杂,装配麻烦。但由于小功率发光管价格低,灯的生产成本低。

大功率LED灯的热设计

灯体的热结构设计是制作半导体灯的另一个不容忽视的问题。虽然发光管是冷光源,工作时自身不是灼热体,但电流流过发光二极管时产生的电阻热还是会使灯体升温,半导体材料制作的发光二极管在高温下会迅速老化,光效下降。要减缓发光二极管的光衰,使半导体灯有长的使用寿命,必须降低发光管管芯的温度,要降低管芯的温度,就要降低灯体温度,并且要减小发光管和灯体之间的热阻,这就要求解决好半导体灯的散热问题。

解决散热问题主要靠合理的灯体结构。一种解决方案是使用2--3mm的铝扳做基扳,大功率管直接安装在铝板上,管子之间用引线相连。小功率管可以按照使用的发光管的数目在铝扳上打好孔径和发光管外径相同的孔,再将发光管紧配合镶嵌到铝扳上,发光管引脚在铝扳后面相连。灯的外壳也用金属材料制作,装好发光管的铝扳和金属外壳紧密装配,这样,灯工作时产生的热量可以通过铝扳传导到金属外壳上,金属外壳暴露在空气中,热量就可以通过辐射和对流散去。暴露在空气中的金属外壳的表面积要按照约每瓦50平方厘米考虑。为了既减小灯的体积又保证较大的散热面积,灯体外壳应该是带肋条的散热片结构。

最高管芯工作温度和热阻造成的管芯和管壳之间的温差是热设计最主要的考虑因素,对于大功率发光管来说,1瓦的大功率发光管热阻约20℃,也就是说,给标称功率1瓦的发光管输入1瓦的电功率管芯温度就比管壳高20℃。3瓦管热租约15℃,给3瓦管输入3瓦的电功率管芯温度就比管壳高45℃,因此,要使3瓦发光管制作的半导体灯和1瓦管制作的半导体灯管芯温度相同,3瓦管制作的灯灯体温度应该比用1瓦管制作的灯更低。反过来说,如果灯体温度相同,用1瓦管制作的灯管芯温度比用3瓦管制作的低。从这个意义上来看,用3只1瓦发光管作3瓦的灯比用1只3瓦管作3瓦的灯更有利于降低管芯的温度,并且3只1瓦发光管打出的光通量比1只3瓦发光管发出的光通量高。因此,用大功率发光管制作半导体灯要合理选择发光管。

为了减少发光二极管产生的热量,要选用光效高的发光管制做大功率半导体灯,因为在输入一定的电功率时,光效高的发光管发出的光能量高,发出的热能量必然少,这样就可以减小散热片的面积。

大功率半导体灯应用领域举例

大功率LED灯的应用一 彩色信号灯和彩色照明
大功率彩色信号灯和彩色照明如果用白炽灯做光源再滤光的办法,只能利用其中比例很小的有色光,大部分光谱都不能被利用,因此,实际光效极低。而用半导体灯,由于能用各种颜色的发光管直接生成所需要的光色,因此,实际光效比用白炽灯做光源再滤波的办法高得多,既节能又长寿命。典型应用如:信号灯、航标灯、草坪灯、广告灯、红灯笼等等。

大功率LED灯的应用二 背景灯 勾边灯
大功率广告灯箱用的背景灯,装饰装潢和桥梁建筑等用的勾边灯,用其他光源不好实现,发光二极管可以随意布局,并且还可以根据需要选用各种颜色。

大功率LED灯的应用三 景观灯
在公园,旅游区等景观照明,也可以发挥发光二极管布局灵活,颜色多样性的优势,使风景更加亮丽。

大功率LED灯的应用四 路灯等公共照明
有些城市已经开始用半导体灯做路灯或者用于其他公共照明,这也是未来半导体灯重要的应用领域之一。
从发展趋势来看,未来几年内商品化的大功率白光发光二极管的发光效率就会普遍超过100流明,大功率半导体照明的节能优势必将出现。随着生产技术水平的提高和产量的增加,发光管的生产成本也会不断降低。外围技术方面,模块化的发光管专用电源变换器的品种已经十分完备,可以提供从1伏直流电到交流市电的各种原始电源的恒流变换,单个变换器的功率范围从一瓦以下到几十瓦,变换器体积小,效率高,稳定性好,工作可靠。半导体照明的核心技术和配套技术都在趋于成熟,应用范围从专用到通用,从小功率到大功率不断扩展,第四次照明产业的革命将为人类社会带来新的光辉。

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