LED照明燈具系統(tǒng)目前概況及未來發(fā)展趨勢

人們習(xí)慣于看日光下的東西，對于通用照明來說，人們需要的主要是接近太陽光質(zhì)量的光源，所以白光LED是半導(dǎo)體照明科技的重要指標(biāo)。LED小巧輕量、驅(qū)動電壓低、全彩色、壽命長、效率高、耐振動、易于控光等特性，為設(shè)計(jì)用于不同場所和目的的照明系統(tǒng)提供了優(yōu)越條件。由于單只LED功率小，光亮度低，不宜單獨(dú)使用，為此必須將多個(gè)LED組裝在一起設(shè)計(jì)成為實(shí)用的LED照明系統(tǒng)。但目前白光LED與通用照明的要求還有一定的距離，還存在諸多技術(shù)與成本問題急需解決。

半導(dǎo)體照明燈具系統(tǒng)的主要技術(shù)概況

燈具系統(tǒng)的熱量管理

一般常稱LED為冷光源，這是因?yàn)長ED發(fā)光原理是電子經(jīng)過復(fù)合直接發(fā)出光子，而不需要熱的過程。但由于焦耳熱的存在，LED在發(fā)光的同時(shí)也有熱量伴隨，而且對于大功率和多個(gè)LED應(yīng)用的場合，熱量積少成多而不能小覷，LED不同于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源，過高的溫度會縮短，甚至終止其使用壽命。而且LED是溫度敏感器件，當(dāng)溫度上升時(shí)，其效率急劇下降，所以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及散熱技術(shù)開發(fā)也是LED應(yīng)用需面對的課題。由于強(qiáng)制空氣冷卻通常在光源中是不可取的，所以隨著輸入電功率的提高，散熱片和其它增強(qiáng)自然對流冷卻的方法就在LED燈和光源設(shè)計(jì)中發(fā)揮日益重要的作用。

提高顯色性

目前白光LED普遍使用發(fā)藍(lán)光LED疊加由藍(lán)光激發(fā)的發(fā)黃光的釔鋁石榴石(YAG)熒光粉，合成為白光。由于其發(fā)光光譜中僅含藍(lán)、黃這兩個(gè)波譜，所以存在色溫偏高、顯色指數(shù)偏低的問題，不符合普通照明要求。人眼對色差的敏感性大大高于對光強(qiáng)弱的敏感性，對照明而言，光源的顯色性往往比發(fā)光效率更重要。所以加入適量發(fā)紅光的熒光粉并能保持較高發(fā)光效率是LED白光照明中的一個(gè)重要的課題。

燈具系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)燈具長期以白熾燈、熒光燈光源為參照物來決定燈具的光學(xué)和形狀的標(biāo)準(zhǔn)，因此LED燈具系統(tǒng)應(yīng)考慮摒棄傳統(tǒng)燈具加上LED發(fā)光模塊的組裝方式，充分考慮其光學(xué)特性，為LED光源專門設(shè)計(jì)不同的燈具。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括如下幾個(gè)方面：①根據(jù)照明對象、光通量的需求，決定光學(xué)系統(tǒng)的形狀、LED的數(shù)目和功率的大小;②將若干個(gè)LED發(fā)光管組合設(shè)計(jì)成點(diǎn)光源、環(huán)形光源或面光源的“二次光源”，根據(jù)組合成的二次光源，計(jì)算照明光學(xué)系統(tǒng);③構(gòu)成照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要。

由于LED發(fā)出的光束集中，更易于控制，且不需要反射器聚光，有利于減少燈具的深度。例如，利用平面鏡光學(xué)系統(tǒng)，可以只用1～2個(gè)LED就可照亮很大的表面，而燈具深度很薄;而利用光導(dǎo)技術(shù)，LED直接裝于光導(dǎo)管旁，可大大減少光源及其它組件占用的體積，制成超薄的燈具。

提高系統(tǒng)的可靠性

LED光源有人稱它謂長壽燈，作為固體發(fā)光器件，其理論壽命在10萬小時(shí)以上，其使用壽命遠(yuǎn)比傳統(tǒng)光源要長，因此在一些不易更換維護(hù)的場合使用，其維護(hù)成本可大為降低。但是目前許多實(shí)際應(yīng)用中卻無法看到這項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，反而給使用者看到的是光衰嚴(yán)重，且壽命短，根本用不到一萬小時(shí)就壞了，這是因?yàn)榇蠹宜褂玫腖ED是電子工業(yè)界最常使用的指示功能的Ф3～Ф5mmLED，利用簡單的電子電路加大電流來增加其發(fā)光強(qiáng)度，但是LED只獲得了短暫的高亮度，卻失去了LED應(yīng)有的壽命。因此在半導(dǎo)體照明燈具設(shè)計(jì)上慎選LED，應(yīng)使用大功率LED作為照明設(shè)備光源。

提高光通量、降低價(jià)格

目前單個(gè)1W的LED器件，光通量約為25lm，質(zhì)量好的售價(jià)要超過5美元，差一些的也要3美元。而25lm的光通量對于普通照明而言太小了，一只普通的60W白熾燈的光通量大于700lm，也就是說，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個(gè)LED器件，還要加上驅(qū)動電路、燈殼、燈頭等，如此高的成本是白光LED在普通照明中的最大問題。特別是效率，目前是25～45lm/W，還有待于進(jìn)一步提高。

電源、電路與燈具的集成

為LED設(shè)計(jì)燈具，需要注意白熾燈和熒光燈燈具設(shè)計(jì)師很少需要關(guān)注的一個(gè)問題就是電源。大多數(shù)白熾燈直接由交流電線供電，因此不需要電源。熒光燈使用鎮(zhèn)流器來完成電源的功能。但LED需要專門的電源與驅(qū)動電路與其配套，在設(shè)計(jì)燈具的時(shí)候應(yīng)考慮電源與燈具系統(tǒng)集成。半導(dǎo)體照明和太陽能發(fā)電的最大特點(diǎn)都是環(huán)保、節(jié)能、長壽命、安全。太陽能發(fā)電和半導(dǎo)體照明相結(jié)合完成光電到電光的轉(zhuǎn)換，是最佳的組合。以太陽電池發(fā)電作為電源的自然能利用型獨(dú)立半導(dǎo)體照明燈具，節(jié)能、環(huán)保、長壽命，還省去了相關(guān)的電線及配套設(shè)施，擁有巨大的市場空間。

LED照明燈具技術(shù)發(fā)展趨勢

1、摒棄目前LED燈具僅僅是傳統(tǒng)燈具加LED發(fā)光模塊的設(shè)計(jì)方法，要充分考慮LED光學(xué)特性，開發(fā)LED專用燈具。

2、電源及控制電路的設(shè)計(jì)，電源方面要改變目前普遍使用的電容降壓和阻抗分壓的應(yīng)用方式，設(shè)計(jì)出合理的小電流恒流源電路，在驅(qū)動電流方面采用時(shí)鐘周期調(diào)制方式，提高LED燈具的穩(wěn)定性，同時(shí)進(jìn)一步提高電源的效率。

3、在控制電路電路設(shè)計(jì)方面，要向集中控制，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，系統(tǒng)可擴(kuò)展性三方面發(fā)展。

4、在目前LED光效和光通量有限的情況下，充分發(fā)揮LED色彩多樣性的特點(diǎn)，開發(fā)變色LED燈飾的控制電路。

5、發(fā)揮LED的優(yōu)勢，開發(fā)LED照明與光伏系統(tǒng)結(jié)合的燈具系統(tǒng)。

6、開發(fā)太陽能與高亮度LED集成技術(shù)，解決太陽能電池系統(tǒng)與LED照明系統(tǒng)的匹配和控制技術(shù)。

7、開發(fā)適合室內(nèi)照明的集成平板光源系統(tǒng)，發(fā)展趨勢是LED照明燈具與建筑融為一體。

8、開發(fā)LED燈具模擬仿真系統(tǒng)，以加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

向佐