智能绿色LED照明技术与应用分析

陈庆军

【摘 要】随着计算机、通信、自动控制、总线、信号检测和微电子技术迅速发展及互相渗透，LED照明进入了智能控制时代。

【关键词】智能绿色；LED；照明；技术；应用

一、LED照明技术的特点和优势

第一，具有很高的发光效率是LED照明技术的明显优势。和其它照明商品比较，这项新技术的热损耗很低、电能利用率较高。它的光效可到达200流明/瓦，并且是一种牢靠又安全的冷光源。LED照明技术还具有光色温文、光线单色性好等特色，一起它还没有闪耀和炫光，可以极好的保护人的视力。第二，动力消耗低是LED照明技术的特色之一，直流电进行驱动是这项技术的核心，它的单管功率、驱动电压都在很大程度上比其它商品低，并且亮度高。和其它的照明商品比较，LED灯大大的节省了照明能耗，它的能耗是白炽灯的12%，是荧光灯的50%，动力消耗量具有明显性优势。第三，LED照明技术具有很强的环保性。由于这项技术和一般照明设备比较，其发光原理是不一样的，所以LED照明技术根本不会有光照强度衰弱、热沉积等表象发作。而且LED照明器件自身分量很轻、体积很小，是选用环氧树脂装封的，所以在高强度的冲击后也不会发作损坏。就正常的状况来说，这种照明技术的寿数是其它灯具商品的5到10倍，很大程度下降了照明器件的保护费用及保护难度，且对资料的损耗也下降了。除此之外，这种技术的节能作用是非常好的，把它运用到日子的每一个旮旯，能下降体系的能源消耗，完成节能减排。

二、LED照明主要技术问题

（一）LED光源的光学特性

目前使用的LED照明光源，绝大部分采用的是450nm左右的蓝光激发YAG荧光粉而产生的白光。荧光粉的配比和颗粒大小是影响白光LED的关键材料，它同时决定了光谱特性，也影响到成品的色温和光效。白光LED的光谱特性、显色指数和光效与YAG荧光粉、驱动电流相关，改变其中任意一项，都可以改变它的色温，其光谱特性曲线也会发生变化。一般情况下，LED照明生产企业在生产时，按照所需色温不同，选择不同配比的YAG荧光粉，生产不同色温的LED照明产品。

色温为3000K、4500K和6500K的白光LED光谱特性如图4所示，这三份测试报告给出了LED的光谱特性曲线、CIE1931的色品坐标、相关色温、显色指数、光通量等光学参数。从图中可以看出，450nm左右的蓝光与550～600nm左右的绿-黄光相对输出能量比例逐步提高，图4（a）所示产品3000K色温的显色指数71.2，光效88.54lm/W；图4（b）所示产品4500K色温的显色指数75.7，光效79.89lm/W；图4（c）所示产品6500K色温的显色指数78.9，光效92.4lm/W。从这一组试验产品测试情况看，显色指数最高的为6500K色温产品；光效最高的也为6500K产品。而显色指数最低的为3000K色温产品，光效最低的是4500K测试样品。从这一组数据看，与经验值有所不同，按照以往的经验数据，色温高的产品，光效应该也高，色温低的产品光效应該相对较低。但是这一组测试参数则与通常的经验值有差异，说明LED光源的情况与传统光源不同，荧光粉的颗粒粗细程度、电流驱动大小等都与光学参数相关，每一细小的变化都会影响到最终参数。虽然这是一个特例，但是，这一情况说明了一个问题，即产品的质量与价格的关系，LED照明产品的原材料质量越高，其发光质量也越高，但其价格成本也越高。

为了进一步了解LED照明的特性，我们对部分照明用LED光源进行光输出能量与色温关系的分析，色温的选定参照CIE1931色度图标出的8个色温点，分别为2700K白炽灯色（TungstenLight）、3000K暖白色（WarmWhite）、3500K白色（White）、4000K冷白色（CoolWhite）、4500K、5000K中性白色（MiddleWhite）、5700K、6500K日光色（Daylight）（其中4500K和5700K是目前较常用的白光LED光源色温），每种色温的LED抽取5个检测样本，共计40个。根据我们对这些不同色温的LED照明测试样本，得到光输出能量与色温的关系如图5所示。从图5我们可以看到，同样功率的LED照明产品，随着色温的提高，光输出能量也有所提高，虽然从散点图看，2700～5000K段有所波动，但总体为逐步增加趋势。由于被测样本来自同一企业，且并非同一批次产品，所以有所波动属正常情况，这张图同时也间接验证了材料和其他因素对光效的影响。

（二）散热问题

由于LED的发光效率较高，几乎不产生热能，所以被人们俗称为“冷光源”。但这并不意味着LED发光时不产生热量，当电流通过LED的PN结时，同样要产生热量，这部分热量不随着所发出的光向外辐射，只聚积在PN结上，在专业术语上称之为“结温”。由于LED的PN结很小，工作时电流密度大，用于照明时，一盏LED照明灯往往需要多颗乃至数十颗、上百颗LED组合而成，这就导致LED芯片发热高度集中，如果热量不能很好地导出，就会导致热量堆积，结温上升。

LED照明光源所产生的热量虽然小于传统光源所产生的热量，但是仍然有很大一部分转换为热量，根据测试数据统计分析20W以下的LED照明产品大约70%～75%的电功率转换为热能，对于大功率LED照明灯，大约70%的功率转变为热能，并且发热集中，导致PN结温度急剧升高。发热量与色温的关系如图6所示。

结温上升会导致光输出减少，根据OSRAM等厂商提供的特性曲线，LED的结温超过80℃，发光效率降至90%，长时间运行，会使芯片加速老化，缩短器件寿命。在发热的同时，发光二极管的光谱随着结温的上升，向长波方向漂移，色温发生变化，如图6所示。如果考虑实际应用中结温对色温漂移的不良影响，散热设计要对最高结温进行限制。为了保证LED的使用寿命、光谱特性及光衰等，需要将LED的结温控制在80℃以下。

散热问题的解决措施

①对LED采用了散热器，但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到1P45及以上等级，无法满足GB7000.5/1EC6598-2-3标准的要求。

②采用普通的道路灯具外壳，在灯具出光面内用矩阵式LED，这种设计虽说能满足1P试验，但是由于灯具内的不通风会造成在工作时，灯具内腔的温度会升高到50一80度，在如此高的工况下，会影响LED的发光效率和使用寿命。

③在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热，其进风口设计在灯具的下方.以避免雨水的进人.出风口设计在下射LED光源的四周，这样也能有效避免雨水的进人。

另外，散热器和LED光源腔不处于同一空腔内，这种设计按灯具的IP试验要求，能顺利通过。这一方案，不仅解决了LED的散热问题，而且同时满足了1P等级的要求。但是这种设计实际上存在明显的不合理情况。

因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合，空中的飞尘量是较天的，有时会达到很大（如起沙尘暴），这类灯具在一般条件下使用一段时间后（约三个月至半年），其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，使散热器的散热性能下降，最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短。

LED路灯灯具的设计要兼顾道路灯具中LED的散热及IP防护，较合理的设计指导思想是：在关键的散热位置，采用导热板。导热板是在金属板的内部，均布有供冷媒介流动的细导I管，并在细导管内充有冷媒介，当导热板的某一部位受热时，细导管内的冷媒介会快速流动而使热量迅速地传导。好的导热板的热导率可以达到同厚度铜材板的8一12倍，但成本会较高。目前大部分的道路灯具外壳是铝材的，直接利用灯具外壳外面作为散热器既可以保证IP防护等级的要求，也可以得到很大的散热面积。

另外，灯具外壳组成的散热器在有落尘时，可以通过自然的风雨而冲洗，从而可保证散热器工作的持续有效性。

（三）结温问题

1、产生LED结温的原因有哪些？

在LED工作时，可存在以下五种情况促使结温不同程度的上升：

a、元件不良的电极结构，视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED元件的串联电阻。当电流流过P—N结时，同时也会流过这些电阻，从而产生焦耳热，引致芯片温度或结温的升高。

b、由于P—N结不可能极端完美，元件的注人效率不会达到100%，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区也会向P区注人电荷（电子），一般情况下，后一类的电荷注人不会产生光电效应，而以发热的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

c、实践证明，出光功率的约束是致使LED结温升高的主要原因。当前，领先的资料生长与元件制作技术已能使LED极大大都输入电能转换成光辐射能，但是因为LED芯片资料与周围介质比较，具有大得多的折射係数，致使芯片内部发生的极大多数光子（>90%）无法顺畅地溢出介面，而在芯片與介质介面发生全反射，回来芯片内部并经过屡次内部反射终究被芯片资料或衬底吸收，并以晶格振荡的方式成为热，促进结温升高。

d、明显，LED元件的热流失才干是决定结温凹凸的又一个要害条件。散热才干强时，结温降低，反之，散热才干差时结温将上升。因为环氧胶是低热导资料，因而P—N结处发生的热量很难经过通明环氧向上散发到环境中去，大多数热量经过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层，PCB与热沉向下发散。明显，有关资料的导热才干将直接影响元件的热流失功率。一个普通型的LED，从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃/w之间，对于一个具有良好结构的功率型LED元件，其总热阻约为15到30℃/w。无穷的热阻区别标明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下，才干正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦级乃至更高。

2、降低LED结温的途径有哪些？

a、减少LED本身的热阻；

b、良好的二次散热机构；

c、减少LED与二次散热机构安装介面之间的热阻；

d、控制额定输入功率；

e、降低环境温度

LED的输入功率是元件热效应的唯一来源，能量的一部分变成了辐射光能，其餘部分最终均变成了热，从而抬升了元件的温度。显然，减小LED温升效应的主要方法，一是设法提高元件的电光转换效率（又称外量子效率），使尽可能多的输入功率转变成光能，另一个重要的途径是设法提高元件的热散失能力，使结温产生的热，通过各种途径散发到周围环境中去。

（四）LED寿命问题

据文献介绍，LED的寿命可达5万小时，其次高光效和全彩色显示等特点吸引着设计师的注意，并因具有突破传统光源的照明方式而为整个灯具批发市场带来了新的市场前景机遇。然而LED光源并非像大多时候宣传和描述的完美，还存在多种待解决的问题和面临的挑战。尤其是当设计以LED为光源的高性能灯具时，就需要考量光学设计，散热设计和驱动设计多方面间的配合才能完全地发挥出LED自身发光的优势和特点。下面将从LED灯具的散热、电源、LED光源、驱动器四个方面详细介绍如何提高LED灯具寿命以及亮度。

1、芯片质量，LED芯片是光源的核心部件，影响芯片质量有晶格缺陷、封装工艺及荧光粉的质量；

A：一种是电极与发光材料为欧姆接触，但接触电阻大，主要由材料衬底低浓度或电极缺损所致。

B：一种是电极与材料为非欧姆接触，主要发生在芯片电极制备过程中蒸发第一层电极时的挤压印或印，分布位置。

另外封装过程中也可能造成正向压降变，主要原因有银胶固化不充分，支架或芯片电极沾污等造成接触电阻大或接触电阻不稳定。正向压降变的芯片在固定电压测试时，通过芯片的电流小，从而表现暗点，还有一种暗光现象是芯片本身发光效率低，正向压降正常。

（四）灯具配光

随着LED照明产业的发展，白光LED照明产业领域的研发人员已经将照明用大功率LED结构（见图8）进行了改进。通过一次配光产生一定的光束角，再根据LED光源一次配光所产生的光束，对灯具进行设计，进行二次配光，最终使光束角得以扩大。

以国内某照明生产企业的广罩型大功率LED灯为例，经过灯具的二次配光，其灯具的配光曲线也与传统光源配光曲线不相上下，光束角已经达到120°，基本满足高大空间的LED照明要求。

对于办公常用照明光源，用LED支架荧光灯取代传统支架荧光灯的案例已屡见不鲜。目前采用的方式是利用原有支架荧光灯具，取消镇流器、改造电路后直接使用。这种方式可以降低成本，减少费用支出，但是在对光源要求较高的场合，照度的均匀度效果不够理想。为了找出解决这一问题的方案，我们用传统荧光灯和LED支架荧光灯进行照度的均匀度对比测试。测试时考虑到目前尚无针对支架荧光灯所设计的灯具，为保证测试数据的统一，无论是传统光源还是LED均采用简易式灯具，测试结果如图9所示。

从图9（a）曲线可以看出，在1.6m高度情況下，LED支架荧光灯中心的照度要高于1.95m处照度1.5倍以上，且随着高度的升高，均匀度提高，达到3m高度时，基本处于均匀状态。LED支架荧光灯在经过不断改进后，解决了很大一部分初期产品的指向性问题和眩光问题，但是由于LED发光二极管的本身特性，在保证高光效和节能的前提下，指向性问题无法全部消除。在1.95m高度情况下，中心照度与边缘照度相差40lx左右，虽然人眼很难识别，但不可能完全达到传统荧光灯的无指向性水平，且垂直高度低于2m情况下更为明显。

以18W普通荧光灯作为对比，测试方式与LED荧光灯的测试方式相同。图9（b）从普通照明实际使用情况分析，无论是在办公场合还是商厦的普通照明，其垂直空间均在2m或2m以上，且不可能仅安装单只荧光灯，灯与灯之间的间隔一般在2m左右，因此会有一个互补。在不考虑灯具的情况下，以1.95m高度为例，无论是LED还是传统荧光灯，在与中心轴垂直1m处的照度与中心点照度差值均在15lx左右，利用灯与灯的照度互补，LED可以达到传统荧光灯照度的均匀水平。

图9传统荧光灯和LED支架荧光灯照度均匀度对比测试

如果照明的空间较低，均匀度的提高会有一定的难度。需要靠二次配光技术来解决，甚至需要改变LED支架荧光灯的发光结构。但这种情况在实际应用中很少出现。

结语

在智能控制LED照明广阔的市场需求条件下，其发展趋势是将相互兼容的品牌产品集中在一起得到合理应用，使照明行业走向以智能控制为导向的市场引领，让智能控制与新光源结合，创造1种崭新的高技术和高科学思想含量的照明文化。

参考文献：

[1]杨丰，李高林，陆宇，沈立，艾占臣，程玉华，颜重光.智能绿色LED照明技术与应用[J].电源技术应用，2012，（08）.

[2]刘琳.智能绿色LED照明技术与应用分析[J].科技展望，2014，（07）.

[3]梁人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，（02）.