1.3 固体环保照明光源——白光LED

1.3.1 白光LED概述

随着光电技术及材料科学的发展，1998年基于蓝光LED芯片的白光LED被成功开发出来，这一创新是LED照明的巨大转折。目前，商品化的白光LED器件已达到白炽灯（发光效率16 lm/W）的水平，其发光效率已接近荧光灯（20W的灯管为60 lm/W，40W的灯管为100 lm/W）的水平，并且在稳步增长之中。

根据应用对象的不同，允许多个LED组合。由于LED的低电压、低电流，因而白光LED发热量低，耗电量小。又因为 LED 可以回收，不会变成环境污染的废弃物，所以白光 LED是环保产品。由于这种固体光源具有耐震动、抗冲击、长寿命和无污染等独特的优点，因此它被公认为21世纪的新一代光源，即第三代电光源。白光LED必将替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源应用于照明和光电信息系统之中。

1. 白光LED的结构与原理

众所周知，白光是由多种颜色的光混合而成的。人类眼睛所能见的白光至少需要两种以上的光混合，一般有以下两种混合方式。

（1）单晶型

二波长光，即蓝色光与黄色光混合：蓝色 LED 芯片里涂敷高效黄色荧光粉，蓝光与被蓝光激发的荧光粉发射的黄光相混互衬后得到不同色温的白光。

蓝光LED芯片涂敷黄色荧光粉的方法如图1-8所示，其中CaN芯片发蓝（P=465nm，Wd=30nm），YAG荧光粉首次被蓝光激发后发出黄色光，峰值为550nm，LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，从而得到白光。

目前已商品化的产品大多为二波段蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉。例如，以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，然后利用蓝光LED照射此荧光物质，以产生与蓝光互补的黄光，再利用透镜的原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便得出了肉眼所能见到的白光。但二波长光显色指数受到限制，最好还是要用三色途径。

（2）多晶型

三波长光，即红色光、绿色光与蓝色光混合：直接将红、绿、蓝三种颜色的 LED 芯片组成一组，实现白光。这种方式的显色指数高，符合一般的照明要求。目前已商品化的三波长光产品大多以无机紫外光晶片加 R、G、B 三颜色荧光粉。此外，用有机单层三波长型白光LED也有成本低、制作容易的优点。总之，三色合成白光综合性能最好，目前世界各生产厂家大都在走此途径。如日本化成、三菱、丰田等公司用波长为382nm的紫外光GaN LED芯片与紫外光激发产生的红、绿、蓝光的荧光材料组合，研制出了效率达30 lm/W的白光LED。

目前，我国每年用于照明的电力接近2500亿千瓦时，如果采用半导体照明，每年可节省2200多亿千瓦时，而这个数字是三峡电站的年发电量的3倍。

2. 白光LED的特点

白光LED与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，具有如下突出的特点：①全固体、结构简单、体积小。即使是多颗多种LED组合，仍然体积小；②省电，因为是直流低电压、低电流驱动，所以耗电量小，其电能消耗仅为白炽灯的1/10、荧光灯的1/2。如采用白光LED照明，全国每年可节电2200多亿千瓦时；③寿命长，一般可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍；④响应快，加电即亮，反应速度快，可在高频操作；⑤真正的绿色环保光源，因为白光LED是固体，所以耐震动、耐冲击、不易破碎、无毒，且废弃物可回收而无污染；由于光谱中没有紫外线和红外线，因而不发热也无辐射，所以，白光LED是真正的绿色环保光源；⑥理论光效率高；⑦可平面封装，易开发成轻薄短小的产品。

1.3.2 用AC直接驱动白光LED的实用技术

目前的LED光源是低电压（VF=2～3.6V）、大电流（IF=200～1500mA）工作的半导体器件，必须提供合适的直流才能正常发光。直流（DC）驱动白光LED光源发光的技术已经越来越成熟，但我们日常照明使用的电源是高压交流（AC 100～220V），所以必须使用变压器或开关电源降压，将交流变换成直流，再变换成直流恒流源，才能使LED光源发光，如图1-9所示。LED灯具里必然要有一定的空间来安置这个模块，但由于E27标准螺口的灯具来说空间十分有限，很难安置。而且，无论是经由变压器加整流还是开关电源降压，系统都会有一定量的损耗，DC LED在交流、直流之间转换时有15%～30%的电力被损耗，系统效率很难做到90%以上。如果能用交流直接驱动LED光源发光，系统应用方案将大大简化，系统效率将很轻松地达到90%以上。

1. AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如图1-10所示。

将一堆LED微小晶粒采用交错的矩阵式排列均分为五串，AC LED晶粒串的组成类似整流桥，整流桥的两端分别连接交流源，另两端连接一串LED晶粒。在交流的正半周时，电流沿粗线通路流动，3串LED晶粒发光；在交流的负半周时，沿细线通路流动，又有3串LED晶粒发光。这样，四个桥臂上的LED晶粒轮流发光，相对桥臂上的LED晶粒同时发光，中间一串LED晶粒因共用而一直在发光。在市电50Hz的交流中，会以50次/秒的频率轮流点亮。由于整流桥取得的直流是脉动直流，实际LED的发光是闪动的，但人眼有视觉暂留，因此 LED 光源的发光就被看做连续发光。LED 有一半时间在工作，有一半时间在休息，因而发热得以减少20%～40%。因此，AC LED的使用寿命较DC LED长。

AC LED成熟的产品有韩国首尔用于AC110V的AX3201、AX3211（它们的功率为3.3～4W，工作电流为40mA）和用于220V的AX3221、AX3231（它们的功率为3.3～4W，工作电流为20mA）。LED晶粒直接绑定在铜铝基板上，其引脚如图1-11所示。

2. AC LED的典型应用技术

AC LED的典型应用电原理图如图1-12所示，在AC LED两端分别串入正温度系数热敏电阻PTC，和限流电阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可进入照明工作。

LED在大批量生产时，其阻抗有一定的离散性，为便于应用，LED光源生产厂商在出厂时对批量生产的产品按阻抗分挡，客户在使用时可按LED光源厂家提供的VF分挡表，查用相应阻值的限流电阻。AX3221/AX3231的VF分挡与限流电阻表如表1-3所示。

1.3.3 白光LED与现行照明光源的比较

白光LED仍处于发展阶段，在使用寿命、提高光效率、降低成本方面仍需进一步改进，但基本上没有白炽灯泡、荧光灯的缺点。白光LED与现行照明设备白炽钨丝灯泡及荧光灯的比较如表1-4所示。

目前，白光LED价格与常规灯泡相比仍有很大差距，这是它未能得到普及的主要原因。若白光 LED 发光效率以每年60%的速度开发下去，要达到大型化、低价化、使用寿命长的照明用光源是不成问题的。

与白炽灯、卤素灯、荧光日光灯、荧光节能灯、直流LED灯相比，AC LED灯具有更节能省电、更长寿、更有能效的高性价比。AC LED发光省去了成本不菲的AC/DC转换器和恒流源。交流LED与现有的照明灯具性能比较如表1-5所示。

DC LED的交直流转换器是一种随着时间会老化、坏掉的电子元器件，其寿命比LED光源本身更短，因此实用中均是交直流转换器先坏掉了。而AC LED采用交错的矩阵式排列，是轮流点亮的，如在50Hz的交流中会以50次/秒的频率轮流点亮，也让AC LED的使用寿命较DC LED长。

但AC LED现阶段有两个缺点：①AC LED刚刚起步，目前光源效率还没有DC LED高；②AC LED有触电的风险。故AC LED在照明灯具上，应避免金属片的裸露，而应该间接地把热带走，这也是发展新的充液LED固态照明灯具的设计核心概念。

目前，AC LED在发光亮度、功率等方面还不够理想，但它有应用简便、无需变压转换器和恒流源，以及低成本、高效率等特点，已显现出了强大的生命力。要不了几年，高亮度、大功率、低成本的产品将大量面世。