发光二极管照明供电方式的研究

长　春　大　学　学　报

JOURNALOFCHANGCHUNUNIVERSITY

Vol.16　No.6Dec.2006　

文章编号:1009-3907(2006)06-00-04

发光二极管照明供电方式的研究

林志琦,佟大鹏

1

1,2

,于星亮

1

(11长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春　130012;21装甲兵技术学院电子教研室,吉林长春　130000)

摘　要:近年来高光效、高亮度的白光LED的开发成功,使得LED在照明领域的应用成为可能。

LED将发展成光源,即半导体照明。进入半导体照明时代一方面要加强LED的机理工艺的研究,提高LED的效率,降低成本,另一方面由于LED的伏安特性,光电特性的复杂性、非线性对发光二极管照明系统的供电方式也应进一步地进行研究,才能够达到能的合理利用,使整个照明系统的效率达到最高,前者研究的人较多而后者目前还很少有人研究,本文针对LED照明的供电问题进行了研究对提高LED的供电效率及稳定性提出了相应的解决方法。关键词:供电;电源;效率;LED照明

中图分类号:TP211+.6　　　文献标识码:A

1　发光二极管照明的发展及在能源和环保上的进步意义

光二极管通常也叫光发射二极管(LightEmittingDiode),简写为LED从20世纪60年代第一只发光二极管问世以来,LED经历了30多年的指示器和显示器的应用。早期所用的材料GaAsP发红光(λp=650nm),在驱动电流20mA时,光通量只有千分之几流明,发光效率只有10lm/W,只能做指示灯。20世纪70年代,材料研究不断深入,引入了In和P,使LED产生绿光(λp=555nm)、黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效提高到100lm/W,应用进入显示领域。80年代以后,出现了GaAlAs的LED,其封装

技术也逐步提高,红、黄色LED光效可达100lm/W。90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿光、蓝光的GaInN两种新材料开发成功,使LED光效得到大幅度提高。1993年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化镓LED技术上突破并很快产业化,进而于1996年实现白光LED之后,1998年推向市场,为LED找到了照明

的新舞台。LED的能耗较小,随着技术的进步,将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的光效已经达到25lm/W,超过了普通白炽灯的水平,且有人按现在LED的技术发展速度预测,到2005年,白光LED的光效可以达到50lm/W,而到2010～2015年,白光LED的光效有可能达到150～200lm/W,远远超过了现在所有照明光源的光效。此外,现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞,这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED则没有这些问题,是一种“清洁”的光源。白光LED得到了迅速发展,并在普通照明领域显示出良好的应用前景。图1和图2为LED照明的应用。

图3为过去和未来几年内LED照明在效率方面的发展和展望。预计到2010年LED照明的效率可达到

收稿日期:2006-12-02

作者简介:林志琦(19-),男,吉林春市人,长春工业大学电气与电子工程学院副教授,主要从事光电技术、计算机应用

的控制理论研究。

图1　放光二极管室外照明效果

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120lm/W,已经远远超过了日光灯的80lm/W,必然将成为家庭照明的主流。

从能源及环保上看,随着技术进步及成本降低,目前白光LED已开始逐渐代替其他点光源,据相关统计,若全部用LED代替现有的照明设备,其节约的电能相当于节约38个核电站的发电量。

2　发光二极管照明电路的连接

当多个发光二极管同时工作时,它们之间的连接方式需要引起我们的注意。在电路中,电气元件之间可采用串联或并联的方式连接。下面我们就来探讨一下发光二极管在这两种方式下的工作情况。211　并联供电

如图4所示,两个LED直接并联起来,那么它们两端的电压是相同的,在理想状况下,两个相同型号的LED具有一样的发光亮度。但是在实际上,不可能存在两个完全相同的LED,它们的特性曲线或多或少都

会有差异,如图5,由于特性曲线不同,虽然它们两端电压都是U1,但流过其中的电流却分别是I1和I2,导致两管的亮度不相同。如果既想并联又想亮度一致的话,可做图6的连接,通过调节支路电阻的值,使两条支路的电流相同,从而达到亮度一致的效果。

212　串联供电

如图7所示,为LED直接串联。以这种方式连接时,因为LED串联在一条支路中,所以流过它们的电流是相同的,同型号的管子会发出相同的亮度,但是却存在两个问题:

(1)需要较高的供电电压。供电电压的值相当于每一个串联元件上的电压之和,所以串联的LED越多,所需电压就越高,对电池供电场合就越不利。

(2)发光二极管损坏后多表现为断路,因此当串联电路中某一个管损坏时,整个串联电路中所有的发光二极管都不亮。

若要采用串联还要避开上述问题可采用在发光二极管上并联一个稳压二极管的方法,以实现“断路损坏保护”。如图8所示,这样一来,当某一个或几个发光二极管损坏后,未损坏的发光二极管两端因为有稳压二极管提供稳定电压,所以仍然可以正常发光。

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213　多只管芯组合在一起

在这种情况下,供电电路连接应考虑温度场的分布。温度对发光二极管的工作会产生一定的影响。如

图9所示,温度梯度从中心向外环形分布,那么在连接时,应该把每一个环形中的LED串联在一起,保证影响和调节同步。正确的连接如图10所示。3　白光发光二极管效率

应用LED照明一直没有得到普及的原因是在于它价格昂贵和发光效率较低。单就发光效率上来看,目前白光LED的发光效率约为30lm/W,已超过了传统白炽灯(约为15lm/W),但距离荧光灯管(效率80lm/W)尚有一段差距。要想全面进入照明市场,白光LED必须跨过60lm/W(相当于20W的日光灯)的门槛。由此可见,影响到LED照明发展的一个重要因素就是发光效率的问题。

通过对白光LED发光效率的测量,得到了如下的效率曲线。如图11。

由图中可见,LED的发光效率并不是随着功率的增加而不断上升的单调函数,在功率达到0.22W之前,效率随着功率的增加而增长,在0.22W时达到顶峰,随后开始下降。也就是说,在功率为0.22W时LED的发光效率最高。这说明,LED的效率存在着一个峰值,在这一点处,它的效率才最高。那么,LED工作时应该工作在效率最高点上,然而,值得注意的是在功率为0.22W时,通过LED的电流已经达到45mA,超过了LED的电流,那么如果既要得到高的效率又要电流处于安全状态,如何能作到呢?笔者又

图11　白光LED发光效率

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做了以下的尝试。

用脉冲信号供电,利用相同的方法测量发光效率,结果发现,效率的变化趋势基本不变,但是在效率达到最高点时,通过LED的电流值为27mA,已经达到效率和安全电流同时获得的效果。

总的来说,通过对由实验数据获得的效率曲线的分析,我们了解了白光LED的发光效率的变化趋势,从而进一步找到还存在的安全电流问题,并针对此提出了解决的方案。当然,目前还有很多问题影响LED的发展,比如,热电阻和电流泄露对发光效率的影响等等,还有待于我们的研究。

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ResearchoftheLEDlightingpowersupplymethod

LINZhi2qi,TONGDa2peng,YUXing2liang

1

1,2

1

(1.InstituteofElectronicandElectricEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China;

2.CircuitDepartment,AcademyofAmouredForceTechnique,Changchun130000,China)

Abstract:BecauseofthesuccessfuldevelopmentofthewhitelightLEDofthehighlighteffectandhighbrightnessinrecentyears,theapplicationoftheLEDatlightingrealmmakespossible.TheLEDwillbecomethefourthgenerationlightsource,namelythesemi-conductorlighting.Forachievingthesemi-conductorlighting,onehandistostrengthentheresearchforthemechanismcraftoftheLED,raiseefficiencyoftheLEDanddeclinecost,ontheotherhandbecausetheLEDhasvolt-amperecharacteristic,thecomplexityofthephotoelectricitycharacteristicandnon-linearitycharacteristic,weshouldresearchthepowersupplymethodoftheLEDlightingsystemfurthertoachievethereasonableusingofpoweranditcanmaketheefficiencyofthewholelightingsystemhighest.Therearetoomanypeopletoresearchtheformerbutwhatwedothelattersofewcurrently.ThistextcarriesontheresearchtothepowersupplyproblemofthelightingofLED,andputforwardamethodtowardsraisethepowersupplyefficiencyandstabilityoftheLED.Keywords:powersupply;electricpower;efficiency;LED;lighting