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高亮度LED产生新应用与新标准
来源:  阅读次数:615  时间:2010-03-12  
 

随着高亮度led功率的增加,它们催生了很多新的应用,从建筑照明到医疗产品。能源之星照明标准正在逐步关注总体系统效率。
要点
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

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