LED照明的創(chuàng)新照亮未來(lái)

作者：Ali Husain

有許多人聲稱自己是電燈的發(fā)明者，在19世紀(jì)中葉的許多發(fā)展為世界變得更亮一點(diǎn)鋪平了道路。

我們可能無(wú)法查明確切的“發(fā)現(xiàn)”！但我們知道的是，1879年，托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）申請(qǐng)了第一個(gè)商業(yè)上成功的帶有碳化竹絲的電燈泡專利。除了細(xì)絲材料的微小改進(jìn)，包括20世紀(jì)初期從碳到鎢的轉(zhuǎn)變，我們從那時(shí)起直到最近基本上一直在使用愛迪生的古老技術(shù)。

白熾燈泡迅速普及，提供了低成本和高質(zhì)量的照明。但在過(guò)去的一二十年中，照明技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，在大多數(shù)住宅和商業(yè)設(shè)施中，LED取代了傳統(tǒng)的白熾燈（如圖1）。

圖1 LED照明光效

1

LED接替

LED燈自20世紀(jì)60年代就出現(xiàn)了，但是直到20世紀(jì)90年代藍(lán)色LED的發(fā)明才使白色LED燈泡得以制造。從那時(shí)起，因其價(jià)格穩(wěn)步下降已成為許多市場(chǎng)上的主導(dǎo)技術(shù)，以與傳統(tǒng)燈泡競(jìng)爭(zhēng)。

在全球住宅銷售中，在2018年LED也已超過(guò)日光燈，達(dá)到40%的市場(chǎng)份額。今天，1個(gè)LED燈泡可能會(huì)在許多國(guó)家零售2~5美元，在一些地區(qū)價(jià)格甚至更低。例如，在印度，政府通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)刂圃焐虦p稅收和關(guān)稅，成功地推動(dòng)了LED照明的采用。

與白熾燈泡相比，LED具有多種優(yōu)點(diǎn)：它們使用時(shí)間長(zhǎng)得多，產(chǎn)生的熱量更少，功耗更少，從而降低了使用壽命成本，而且它們更低的耗電量使它們更環(huán)保。LED也比大多數(shù)日光燈使用的功率更小，并且具有在打開時(shí)立即達(dá)到全亮度的優(yōu)點(diǎn)。

2

更綠色

照明占全球用電量的很大一部分，據(jù)歐盟委員會(huì)估計(jì)約為15%。在美國(guó)，住宅和工業(yè)/商業(yè)領(lǐng)域的照明使用總能源（不僅僅是電力）的7%。

隨著氣候危機(jī)的到來(lái)，我們需要減少照明的耗電量——而且需要大幅削減，以使簽署《巴黎協(xié)定》的國(guó)家能夠?qū)崿F(xiàn)其溫室氣體減排目標(biāo)。

LED可以幫助實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：住宅LED燈通常為其消耗的每瓦特提供超過(guò)90流明的照明能效(lm/W)，而供應(yīng)商聲稱一些新型號(hào)為200 lm/W或更多。相比之下，傳統(tǒng)燈泡可能會(huì)達(dá)到15 lm/W，鹵素?zé)?5 lm/W，“節(jié)能”日光燈通常在55~60 lm/W左右。

對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇的燈源通常是日光燈，相對(duì)能效在100 lm/W左右。但它所產(chǎn)生的光的質(zhì)量是刺眼的，LED產(chǎn)生的更暖的光通常是大多數(shù)人的首選——更新的LED以日光燈一半的電力提供相同數(shù)量的光，這是雙贏的。

較低的電力消耗也創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，使以前沒(méi)有的電燈成為可能——特別是沒(méi)有主電網(wǎng)的太陽(yáng)能電燈。例如，2010—2017年間，部署了1.3億盞太陽(yáng)能燈，主要在非洲和亞洲。日落后有干凈、安全的照明，這可以大大提高人們的生活質(zhì)量，及孩子能在家學(xué)習(xí)。

政府法規(guī)加快了在某些地區(qū)轉(zhuǎn)向LED。例如，在歐盟，對(duì)于LED燈有最低能效標(biāo)準(zhǔn)，不再允許出售其他能效較低的燈。

3

推動(dòng)高能效

對(duì)于住宅和商業(yè)照明，我們需要為我們的LED供電高壓交流電 (AC) 電源。但是LED需要更低的電壓和直流電 (DC) 。為了在恰當(dāng)?shù)碾妷合聦⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，我們需要適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器和其他電源管理器件-這些不可避免地帶來(lái)了一些低能效，我們顯然希望將其對(duì)能效的影響最小化。

根據(jù)電流和顏色的不同，LED的正向電壓可能從小于2 V到4.5 V不等。像安森美半導(dǎo)體這樣的公司一直是LED采用的推動(dòng)者，通過(guò)利用他們?cè)陔娫垂芾淼膶Ｖ獊?lái)開發(fā)所需的器件以可靠和高效地驅(qū)動(dòng)LED。

例如，安森美半導(dǎo)體的NCL30082是個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器(如圖2)，設(shè)計(jì)用于采用交流輸入電源。它包括一個(gè)提供高能效的脈寬調(diào)制 (PWM) 電流模式控制器，一種減少所需的外部器件數(shù)的新的控制方法。該驅(qū)動(dòng)器還支持LED調(diào)光。安森美半導(dǎo)體也提供輸入橋整流器和超結(jié)MOSFET，完善電源轉(zhuǎn)換電路，以驅(qū)動(dòng)LED。

圖2 NCL30082內(nèi)部電路架構(gòu)

同LED驅(qū)動(dòng)器一樣，照明應(yīng)用需要其他器件來(lái)創(chuàng)建一個(gè)完整的系統(tǒng)。這包括傳感器，如檢測(cè)環(huán)境光水平，以便LED亮度可以自動(dòng)調(diào)整，或檢測(cè)到在辦公室有人時(shí)開燈。

有些應(yīng)用中需要的另一個(gè)器件是LED旁路分流器，如安森美半導(dǎo)體的NUD4700。這確保了如果一個(gè)LED失敗，分流可使電流在失效的LED周圍流過(guò)，使LED串的其余部分保持點(diǎn)亮（如圖3）。

圖3 LED旁路分流最大程度地減小失效LED的影響

4

展望未來(lái)：照明變得更智能

“智能”或“聯(lián)接”照明是又一個(gè)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這不僅是因?yàn)樗鼮長(zhǎng)ED燈具供應(yīng)商提供了一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)區(qū)分他們的產(chǎn)品，并增加利潤(rùn)率。更重要的是，它可以通過(guò)自動(dòng)化和用戶控制而不僅僅是使用LED來(lái)進(jìn)一步節(jié)省電力，例如，在一天中的特定時(shí)間自動(dòng)調(diào)整照明條件，如在周末關(guān)閉辦公室燈。

燈具可以使用電力線聯(lián)網(wǎng)控制，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的KNX®網(wǎng)絡(luò)，或無(wú)線技術(shù)，如Zigbee®技術(shù)和藍(lán)牙®技術(shù)。隨著LED本身價(jià)格的下降，這些聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成本近年來(lái)急劇下降，因此智能LED燈泡對(duì)于住宅使用變得越來(lái)越負(fù)擔(dān)得起。

互聯(lián)照明現(xiàn)已成為智能家居和樓宇領(lǐng)域中增長(zhǎng)潛力最大的領(lǐng)域。隨著越來(lái)越多的消費(fèi)者開始在自己的房屋中添加智能家居技術(shù)，包括語(yǔ)音控制助手如Amazon®Alexa®語(yǔ)音控制助手，智能照明市場(chǎng)在未來(lái)幾年可能會(huì)快速增長(zhǎng)。LED可以調(diào)光并且顏色可以變化，從而實(shí)現(xiàn)家庭照明的新發(fā)展，使其能對(duì)環(huán)境光、一天中的時(shí)間、甚至電視輸出作出響應(yīng)。安森美半導(dǎo)體的互聯(lián)照明平臺(tái)是個(gè)模塊化套件，讓工程師能測(cè)試配有藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)或其他無(wú)線技術(shù)的各種LED電源方案。