人類的生產(chǎn)和生活離不開照明。電能照明開創(chuàng)了人類文明的新時(shí)代。用電能照明需要有電光源。偉大的發(fā)明家愛迪生發(fā)明了第一代電光源----白熾燈。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電光源經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈三個(gè)時(shí)代，發(fā)光效率越來越高，人們的生活也隨之更加豐富多彩。
近年來，由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進(jìn)步，又一代新光源----發(fā)光二極管的發(fā)光效率迅速提高，預(yù)示著一個(gè)新光源時(shí)代的到來。目前，國產(chǎn)商品化白光發(fā)光二極管的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到50lm/w，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了15lm/w的白熾燈，光效和60lm/w的熒光燈相近。日本企業(yè)今年計(jì)劃量產(chǎn)100lm/w以上的白光發(fā)光二極管，這一指標(biāo)超過了80lm/w的稀土三基色熒光燈，逼近光效140lm/w的鈉燈，就發(fā)光二極管的技術(shù)潛力和發(fā)展趨勢來看，其發(fā)光效率將達(dá)到200lm/w以上，超過當(dāng)前光效最高的高強(qiáng)度氣體放電燈，成為世界上最亮的光源。因此，業(yè)界認(rèn)為，半導(dǎo)體照明將創(chuàng)造照明產(chǎn)業(yè)的第四次革命。
半導(dǎo)體照明最大量的應(yīng)用將是普通照明領(lǐng)域。半導(dǎo)體燈用于普通照明一般要有比較大的功率。雖然就目前的技術(shù)狀態(tài)來看，商品化發(fā)光二極管的成本和光效還不太適合用于大功率的普通照明，但由于發(fā)光二極管有安全，長壽命，顏色種類多，不怕閃爍，調(diào)控方便等優(yōu)點(diǎn)，在某些場合應(yīng)用能夠形成綜合成本優(yōu)勢，實(shí)際上已經(jīng)開始在大功率照明方面獲得應(yīng)用。
制造大功率半導(dǎo)體燈既可以用大功率發(fā)光管也可以用小功率發(fā)光管。但不管是用大功率管還是用小功率管，技術(shù)關(guān)鍵都是要解決好電源變換問題和燈體的散熱問題。下面分別給出用大功率發(fā)光管和用小功率發(fā)光管制做半導(dǎo)體燈的實(shí)現(xiàn)方案。 大功率半導(dǎo)體燈的驅(qū)動(dòng)方法 發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)的器件，因此，電源變換器的功能就是對原始電源做變換，為發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的單向驅(qū)動(dòng)電流，保證發(fā)光管在比較高的發(fā)光效率和比較低的光衰下工作。
用大功率發(fā)光二極管制作半導(dǎo)體燈可以使用AP-2B320驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器用220伏交流市電供電，給發(fā)光二極管提供320mA穩(wěn)定的單向電流，可以串連驅(qū)動(dòng)10----40只1瓦的大功率發(fā)光二極管工作。適合制作10—40瓦的半導(dǎo)體燈。該驅(qū)動(dòng)器使用高頻變換技術(shù)保持輸出電流的穩(wěn)定性，效率高，體積小。這種驅(qū)動(dòng)器是模塊化結(jié)構(gòu)，無外圍元器件。驅(qū)動(dòng)器有四根引線，兩根線接交流市電，兩根線接發(fā)光管，通電即可工作。驅(qū)動(dòng)器的體積為：50x38x25mm。
用大功率發(fā)光二極管制作半導(dǎo)體燈用的發(fā)光二極管少，沒有外圍元器件，結(jié)構(gòu)簡單，制作容易。但目前大功率發(fā)光二極管價(jià)格相對較高，因此，燈的成本高。 用小功率發(fā)光二極管制作大功率半導(dǎo)體燈用的管數(shù)很多，所以要用串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)。目前有兩種比較好的技術(shù)方案： 第一種方案是用ZL-220V/0.5A整流器將交流市電整流濾波，使之成為平滑的直流電，再使用多個(gè)DP-2B4驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。DP-2B4驅(qū)動(dòng)器是專用的小功率發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，使用高頻變換技術(shù)保持輸出電流的穩(wěn)定性，效率高，體積小。高壓直流供電，輸入電壓范圍為直流240—350伏，72mA單向電流輸出，可以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)4串小功率發(fā)光二極管，每串串聯(lián)管數(shù)為5—50只，最多驅(qū)動(dòng)200只小功率發(fā)光管。這種驅(qū)動(dòng)器是模塊化結(jié)構(gòu)，有4根引線，兩根線接電源，兩根線接發(fā)光管。通電即可工作。驅(qū)動(dòng)器體積為：24x21.5x16.mm。
小功率發(fā)光管輸入的功率只有大約50毫瓦，如果要制作30瓦的半導(dǎo)體燈需要用600只小功率發(fā)光二極管，600個(gè)小功率發(fā)光管需要3個(gè)驅(qū)動(dòng)器。另外還要配一個(gè)帶濾波的整流器。由于輸入電流小，配套的整流器連續(xù)工作電流大于300mA即可。 另一種方案是使用前述的AP-2B320驅(qū)動(dòng)器直接并聯(lián)驅(qū)動(dòng)18--20串小功率發(fā)光管，沒串管數(shù)10--50只。最多可帶1000只小功率發(fā)光管。
這種方案燈的結(jié)構(gòu)更簡單，成本也比用多個(gè)小功率驅(qū)動(dòng)器加整流器的方案低。 發(fā)光管在制造時(shí)同一種管型正向壓降也不可能完全一樣，并且發(fā)光二極管的管壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致多串發(fā)光管并聯(lián)使用時(shí)各串之間的電流不一致，因此，多串發(fā)光管并聯(lián)使用每串發(fā)光二極管要串聯(lián)一個(gè)電阻以平衡各串發(fā)光管之間的電流。 小功率發(fā)光管制做大功率半導(dǎo)體燈使用的元器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配麻煩。但由于小功率發(fā)光管價(jià)格低，燈的生產(chǎn)成本低。
大功率半導(dǎo)體燈的熱設(shè)計(jì)燈體的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制作半導(dǎo)體燈的另一個(gè)不容忽視的問題。雖然發(fā)光管是冷光源，工作時(shí)自身不是灼熱體，但電流流過發(fā)光二極管時(shí)產(chǎn)生的電阻熱還是會(huì)使燈體升溫，半導(dǎo)體材料制作的發(fā)光二極管在高溫下會(huì)迅速老化，光效下降。要減緩發(fā)光二極管的光衰，使半導(dǎo)體燈有長的使用壽命，必須降低發(fā)光管管芯的溫度，要降低管芯的溫度，就要降低燈體溫度，并且要減小發(fā)光管和燈體之間的熱阻，這就要求解決好半導(dǎo)體燈的散熱問題。
解決散熱問題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)。一種解決方案是使用2--3mm的鋁扳做基扳，大功率管直接安裝在鋁板上，管子之間用引線相連。小功率管可以按照使用的發(fā)光管的數(shù)目在鋁扳上打好孔徑和發(fā)光管外徑相同的孔，再將發(fā)光管緊配合鑲嵌到鋁扳上，發(fā)光管引腳在鋁扳后面相連。燈的外殼也用金屬材料制作，裝好發(fā)光管的鋁扳和金屬外殼緊密裝配，這樣，燈工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可以通過鋁扳傳導(dǎo)到金屬外殼上，金屬外殼暴露在空氣中，熱量就可以通過輻射和對流散去。暴露在空氣中的金屬外殼的表面積要按照約每瓦50平方厘米考慮。為了既減小燈的體積又保證較大的散熱面積，燈體外殼應(yīng)該是帶肋條的散熱片結(jié)構(gòu)。
最高管芯工作溫度和熱阻造成的管芯和管殼之間的溫差是熱設(shè)計(jì)最主要的考慮因素，對于大功率發(fā)光管來說，1瓦的大功率發(fā)光管熱阻約20℃，也就是說，給標(biāo)稱功率1瓦的發(fā)光管輸入1瓦的電功率管芯溫度就比管殼高20℃。3瓦管熱租約15℃，給3瓦管輸入3瓦的電功率管芯溫度就比管殼高45℃，因此，要使3瓦發(fā)光管制作的半導(dǎo)體燈和1瓦管制作的半導(dǎo)體燈管芯溫度相同，3瓦管制作的燈燈體溫度應(yīng)該比用1瓦管制作的燈更低。反過來說，如果燈體溫度相同，用1瓦管制作的燈管芯溫度比用3瓦管制作的低。從這個(gè)意義上來看，用3只1瓦發(fā)光管作3瓦的燈比用1只3瓦管作3瓦的燈更有利于降低管芯的溫度，并且3只1瓦發(fā)光管打出的光通量比1只3瓦發(fā)光管發(fā)出的光通量高。因此，用大功率發(fā)光管制作半導(dǎo)體燈要合理選擇發(fā)光管。
為了減少發(fā)光二極管產(chǎn)生的熱量，要選用光效高的發(fā)光管制做大功率半導(dǎo)體燈，因?yàn)樵谳斎胍欢ǖ碾姽β蕰r(shí)，光效高的發(fā)光管發(fā)出的光能量高，發(fā)出的熱能量必然少，這樣就可以減小散熱片的面積。
大功率半導(dǎo)體燈應(yīng)用領(lǐng)域舉例
一 彩色信號燈和彩色照明
大功率彩色信號燈和彩色照明如果用白熾燈做光源再濾光的辦法，只能利用其中比例很小的有色光，大部分光譜都不能被利用，因此，實(shí)際光效極低。而用半導(dǎo)體燈，由于能用各種顏色的發(fā)光管直接生成所需要的光色，因此，實(shí)際光效比用白熾燈做光源再濾波的辦法高得多，既節(jié)能又長壽命。典型應(yīng)用如：信號燈、航標(biāo)燈、草坪燈、廣告燈、紅燈籠等等。
二 背景燈 勾邊燈
大功率廣告燈箱用的背景燈，裝飾裝潢和橋梁建筑等用的勾邊燈，用其他光源不好實(shí)現(xiàn)，發(fā)光二極管可以隨意布局，并且還可以根據(jù)需要選用各種顏色。
三 景觀燈
在公園，旅游區(qū)等景觀照明，也可以發(fā)揮發(fā)光二極管布局靈活，顏色多樣性的優(yōu)勢，使風(fēng)景更加亮麗。
四 路燈等公共照明
有些城市已經(jīng)開始用半導(dǎo)體燈做路燈或者用于其他公共照明，這也是未來半導(dǎo)體燈重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。 從發(fā)展趨勢來看，未來幾年內(nèi)商品化的大功率白光發(fā)光二極管的發(fā)光效率就會(huì)普遍超過100流明，大功率半導(dǎo)體照明的節(jié)能優(yōu)勢必將出現(xiàn)。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高和產(chǎn)量的增加，發(fā)光管的生產(chǎn)成本也會(huì)不斷降低。外圍技術(shù)方面，模塊化的發(fā)光管專用電源變換器的品種已經(jīng)十分完備，可以提供從1伏直流電到交流市電的各種原始電源的恒流變換，單個(gè)變換器的功率范圍從一瓦以下到幾十瓦，變換器體積小，效率高，穩(wěn)定性好，工作可靠。半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和配套技術(shù)都在趨于成熟，應(yīng)用范圍從專用到通用，從小功率到大功率不斷擴(kuò)展，第四次照明產(chǎn)業(yè)的革命將為人類社會(huì)帶來新的光輝。 |
