第1章 绪 论

　　1.1引言

　　1879年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高/低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是LED的发明。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体。LED属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。LED光源被称为继白炽灯、荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源。

　　1.2 LED照明的现状和发展趋势

　　目前，LED已经应用于各种照明领域，这包括景观照明、汽车市场、普通照明、道路照明等。LED照明市场已经逐步形成规模，如日本松下电工已开始生产“袖珍型LED照明灯”，德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯，国内明达光电厦门有限公司开始生产LED路灯等。由于石化资源的匮乏，世界性的能源危机引起了各国的重视，并纷纷把照明节电特别是白光LED产业的发展纳入国家发展战略中。面对LED照明将要形成的巨大市场，世界上掌握半导体照明技术的公司，如通用电气、飞利浦、欧司朗等世界三大照明工业巨头、全都启动大规模商用开发计划，不断推进半导体照明的发展。国内对LED的研究和应用也进行了重点投入。2006年l0月，国家“十一五”863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。我国出现了很多示范性路灯照明实例。随着2008年北京奥运会和20l0年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响，2007年LED用于景观照明市场的规模达到21.2亿元。可以预见，未来LED将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1000亿美元的产业规模。

　　并且LED照明与其他照明相比具有以下优点：

　　(1) 高效节能：传统的照明光源存在光效低(一般白炽灯光效20%左右，普通节能灯只有40%~50%左右)、耗电量大、光线中含有大量的紫外线、红外线辐射，电能绝大部分转化为热能。按照通常的光效定义，LED的光效并不高，但由于LED的光谱几乎全部集中在可见光频段，效率可达80%～90%，一般LED灯使用低电压、低电流驱动，功耗低，在相同的照明效果下比传统光源节能80%以上。

　　(2) 寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在普通灯丝发光发热易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可高达6万～10万小时，是传统光源使用寿命的10倍以上。由于寿命长，经久耐用，减少了维护和更换的费用，降低了成本。

　　(3) 绿色环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃后都会对人体的健康和环境造成危害。而LED运用冷光源，眩光小，无辐射，使用中不产生有害物质，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

　　(4)光效高：白炽灯的光效为12～241m/W，荧光灯的光效为50～701m/W，钠灯的光效为90～1401m/W，大部分的耗电变成热量损耗。目前LED的光效为50～1001m/W左右，世界各国均加紧提高LED光效的研究，按现在LED技术发展的速度预测，到2010～2015年，白光LED的光效将达到l50～2001m/W，远远超过其他所有照明光源的光效。

　　(5) 光色纯、光束集中：传统照明光源的光谱较宽，且发光方向为整个立体空间，不利于配光和光线的有效利用。而LED则为分立的光谱，谱线较窄，色彩丰富、鲜艳，可以有多样化的色调选择和配光，并且LED光源发光大部分集中会聚于中心，发散角较小，可以有效地控制眩光，从而简化灯具结构，节省设计和制造成本。

　　(6) 高新技术：与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入控制技术等。

　　LED在照明领域中的应用主要包括以下四个方向的技术：LED光源技术、LED驱动电源技术、LED配光技术和LED散热技术。本论文主要从LED驱动电源技术介绍LED照明的研究现状和发展趋势。

　　LED驱动电源技术：原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换这一问题。现有用原始电源给LED供电主要有以下四种情况：低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动以及市电驱动。不同的情况在LED电源变换器的技术实现上有不同的方案。下面简要介绍这四种不同的驱动电源技术。

　　(1) 低电压驱动：

　　低电压驱动就是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED，如一节普通的干电池或者镍铬/镍氢电池，其正常供电电压为0.8至1.65V。低电压驱动LED就是要把电压升高到足以使LED导通的电压值。对于LED这样的低功率照明器件，这是一种常见的使用情况，如LED手电筒、LED应急灯、节能台灯等。由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的变换效率。另外，考虑到有可能配合一节5号电池工作，还要有最小的体积，其最佳技术方案是电荷泵式升压变换器。

　　(2) 过渡电压驱动：

　　过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压有时略高于LED管压降，有时略低于LED管压降。如一节或者两节锂电池串联的铅酸电池，满电时电压在4V以上，电快用完时电压在3V以下。用这类电源供电的典型应用有LED矿灯等。过渡电压驱动LED的电源变换电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作，也需要有尽可能小的体积和尽可能低的成本。一般情况下功率也不大，其最高性价比的电路结构是反极性电荷泵式变换器。

　　(3) 高电压驱动：

　　高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED管压降，如5V、12V，24V的电源。典型应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。高电压驱动LED要解决降压问题，由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率(如机动车照明和信号灯光)，应该有尽可能低的成本。变换器的最佳电路结构是串联开关降压电路。

　　(4) 市电驱动：

　　市电驱动，顾名思义就是用220V、50Hz的交流市电经过电源变换装置给LED供电。这是一种对LED照明应用最有价值的供电方式，是半导体照明普及应用必须要解决好的问题。用市电驱动LED要解决降压和整流问题，还要有比较高的变换效率、有较小的体积和较低的成本。另外，考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因数问题。对中小功率的LED，现在普遍使用的电路结构是反激变换器。对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。

　　目前，单颗LED的光效还不足以满足大部分照明的要求，这就要求LED驱动电源能够同时驱动多个LED，只有合理的配合设计才能保证LED正常工作。LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和使用寿命，现有的连接方式有全部串联、全部并联、混联三种。

　　无论是何种驱动电源技术，归根到底对于LED照明而言只有恒压和恒流的区别。采用恒压设计会危害LED的未来。LED是需要恒流方式驱动工作的，但目前由于恒流方式限制达不到实际需求，而较多地使用恒压方式设计。恒压方式是暂时的过渡，很快会被恒流技术取代。故本设计采用的是市电驱动。