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高亮度LED产生新应用与新标准

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-15  来源:互联网  作者:建材网  浏览次数:588
核心提示:总体照明系统效率包括电源转换、电流调节以及HBLED(高亮度发光二极管)装置本身的效率,而不只是HBLED片芯的效率。    HBLED照明系统现在的效率低于最高效的荧光灯。但HBLED将在三年内迎头赶上。    HBLED的其它优点有纯净

  总体照明系统效率包括电源转换、电流调节以及HBLED(高亮度发光二极管)装置本身的效率,而不只是HBLED片芯的效率。
  
  HBLED照明系统现在的效率低于最高效的荧光灯。但HBLED将在三年内迎头赶上。
  
  HBLED的其它优点有纯净光源、紧固性和调光控制能力,将帮助它们进入新型医疗与照明应用。
  
  HBLED(高亮度发光二极管)的功率在不断增加:例如,Cree公司现在提供88lm/W的器件,并且计划在今年年底提供100lm/W的器件,五年内将出现150lm/W器件。作为独立元件,HBLED效率高于白炽灯甚至荧光灯。但是,在系统级上,因为必须考虑它们带来的功率损耗问题(包括AC/DC和DC/DC转换与电流调节),它们的优势被削弱了。另外,LED照明装置(或光源)会带来损耗,LED组件本身亦有热损耗。
  
  美国DOE(能源部)最近完成了针对SSL(固态照明)光源的新的能源之星规范,这样系统设计者可以对光源与装置采用相同的比较数字。新规范不是着眼于HBLED在元件级上的发光效率,而是整体的光源效率。
  
  电流驱动的LED光强直接与正向电流成正比。这些器件有与二极管相同的陡峭电压/电流曲线,电压上的小小变动会导致电流的一个相对较大的变化,亮度也产生变化,因此控制电流比控制电压更重要。很多IC制造商(通常从事于电源控制器业务)都进入了LED驱动器电流调节市场。这些供应商包括:德州仪器公司、美国国家半导体公司、Intersil、Cypress、Maxim和LinearTechnology.
  
  除了电流调节器以外,照明系统可能还必须带有一个AC/DC转换器,采用电池供电的系统可能还需要一个DC/DC升压转换器。总之,仅转换方面,就可能损失10%~15%的系统功率。另外,由于反射和镜头损耗,设备中SSL的亮度损失可能高达一半。
  
  能源之星SSL规范的标准将在2008年9月30日生效。该规范有两个部分。CategoryA覆盖今天现有的器件。它规定,一个符合CategoryA的嵌入发光设备(或“下射聚光灯”)必须为35lm/W.CategoryB将覆盖三年内出现的高效SSL设备。那时,SSL能够与今天采用传统光源的最高效发光系统竞争。例如,现在最常见的高性能T8荧光灯和电子镇流系统可以产生约100lm/W.这些荧光镇流系统的高质量产品可以达到约70%的效率,获得70lm/W的光源效率。而采用今天已商业化的SSL技术时,HBLED光源无法达到CategoryB级的最小发光效率。不过,LED技术正在快速发展,未来将可以满足能源之星CategoryB的要求。但LED除了效率和长寿命以外还有其它优势,值得我们在获得更高效率以前继续跟踪它的发展。例如,在荧光照明中,调光非常困难,而对LED不过是直接减小电流而已。另外,你可以用多个冷白色LED和暖白色LED阵列,动态地改变一个房间的颜色。预计SSL将在今后五年内成为家庭与工业照明的一种重要技术。
  
  今天可用的多数HBLED都需要直流电压和电流,因此,大多数SSL系统都含有转换电路,将交流电源转换为稳压的直流电源。不过,SeoulSemiconductor公司最近推出了AcricheHBLED,它可以直接用交流电源工作(图1),用一只表面组装电阻设定输入电压,范围从100V~110VAC和220V~230VAC.在片芯中,LED包含了多层LED半导体结。二极管结在总正向电压接近于110V或220V的交流电压时建立。这些器件有两串背对背的LED.第一串导通,并在正半电压周期内传导,而第二个在另一串周期内导通,因此LED可在整个交流电压周期内发光。直接采用交流工作简化了电源转换电路,增加了系统可靠性,并减少了设计时间。AcricheHBLED有两种型号:用于100V/110V的AW3200和用于220V/230V的AW3220.两种型号均具有59lm/W的效率,它低于直流供电的HBLED的发光,但也相差无几。
  
  随着能量成本的持续上升,照明效率的重要性也日益增加。美国DOE估计,照明要消耗一座建筑20%的电力。然而,在发展中国家经常缺乏可靠的电力网络,人们可以使用太阳能SSL为电池供电,从而获得可靠的夜间照明。唯一的其它选择是煤油灯,它既危险又昂贵。
  
  HBLED除了明显的效率优点和寿命优点以外,还有其它的优点,并对非传统照明应用很有吸引力。例如,它们有狭窄的光谱,因此最适合用作胆红素灯。胆红素是一种红黄色的有机物,源自红血球解体所产生的血红蛋白。过高胆红素会造成高胆红素血症,症状为黄疸,即巩膜(即“眼白”)和体液等组织呈黄色。虽然一般不必担心低水平的胆红素,但大量胆红素会循环至大脑组织,可能造成新生儿癫痫和大脑损坏。所幸,光疗通常对此种病症有效果,因为胆红素会吸收蓝光,分解为水溶形式而排出体外(图2)。458nm~462nm区域中的窄带蓝光最有效。过去,胆红素治疗光线都采用定制的蓝色荧光灯管和彩色过滤器。但是,荧光灯的光谱相对较宽。尽管其分布中心位于所需波长上,但光谱分布在两端下降,表示能破坏胆红素的光能量下降,因此治疗时间将延长。与之相比,蓝光LED胆红素光源可以有正确的频率,几乎不浪费光能量。另外,LED的胆红素光源有机械稳定特性,更长的寿命,也比荧光设备低廉。在未来,光线疗法将能通过“发光服”提供光照,提供比光箱更有效的治疗方法。
  
  HBLED与传统白炽照明或荧光照明的一个显着差异是,HBLED有更多的封装变型。因此,可能预期将有一些关于封装的标准出现,但至少五年内不会出现这种情况。Cree商务发展总监MarkMcClear预测说:“每次我们使HBLED更亮、更便携和更高效时,都促成了更多的应用。我们位于一个陡峭的曲线上,要一次完成三个目标,一个重要的部分是封装。我们有一种类型的封装;我们的竞争对手就可能有另一种......并非为把客户搞糊涂,而是因为(一种类型封装)有更多的光输出,而光是最重要的。”
  
  Avnet公司的LightSpeedSSL与LED业务部总监CaryEskow表示,HBLED的快速发展带来了有关眼睛安全的问题,这些器件的设计者一般都要解决这个问题。他说:“HBLED的快速发展可能已超越了安全方面的设计。”对眼睛最直接的威胁来自于光的强度:有些HBLED可以从一个小片芯中产生高达150lm的光。在某种情况下,这种光强可以通过光热效应和光化学效应过程而损坏眼睛。对这些类型的损害,我们人体的眨眼反应没有多大的保护作用,因为在发生损害的视觉光谱末端,不会出现这种反应。
  
  光热损害出现在视网膜温度增加大约10℃时。由于热量传过视网膜的方式,这种损伤直接与束斑尺寸有关;它随着焦点的增大而增加,就像压在皮肤上的一根针会造成远高于相同压力手指的疼痛。随着波长从约550nm(绿色)通过黄色、橙色和红色延长到IR(红外),这种类型的损伤逐渐占据主导地位。
  
  另一方面,强烈的紫外光和蓝光会造成眼睛的光化学损害。蓝光和短波长的危险性比IR辐射高出1000倍。同样,这种情况下眨眼反应是没有用的。Eskow强烈建议设计者将HBLED的安全性列入主要的设计考虑因素,因为这些器件正在成功进入越来越多的应用中,从照明到医疗设备,甚至玩具。

 
关键词: 高亮度 LED
 
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