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摘要：发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有节能、环保、安全、长寿命等优点，是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯后的第四代光源。LED 照明技术的发展离不开高可靠性、高功率因数、长寿命、低成本的驱动电源。
关键词：发光二极管；功率因数校正；频闪；驱动电路
1 LED 照明的基本原理和特性
1.1 LED 的工作原理
LED是一种固态的半导体器件，一般由 III-IV 族化合物，如 GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成，其核心结构是PN结。在一定的条件下，当PN结两端加正向电压时，电子从PN结的N区注入到P区，空穴由P区注入到N区，注入的少数载流子（少子）与多数载流子（多子）复合，在电子和空穴消失的同时产生了光子，从而使得LED发光。图1.2 给出了LED发光的原理图。.png)
电子和空穴两者之间能量差（带隙）越大，光子携带的能量就越高。光子的能量与 LED 发光的颜色相对应，在可见光的频谱范围内，蓝色和紫色光携带的能量较多，而橙色和红色光携带的能量较少。由于不同材料具有不同的带隙，从而电子和空穴两者之间的能量差不同，光子携带的能量也不同，因此不同材料能发出不同颜色的光。
1.2 LED 的主要特性参数
LED 的光学特性参数主要包括光强度、光通量、色温度、发光效率等几方面，其基本定义如下。
光强度：是指光源在某一方向立体角内的光通量大小，单位为坎德拉（candela）。一般而言，在不同的空间角度上，LED发出的光强是不同的。LED一般采用圆柱形封装，在这种封装下，与水平面成90°的方向上光强最大，当偏离此方向时光强逐渐变弱。
光通量：是指人眼所能感受到的辐射功率，单位为流明（lm）。它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长的光的相对视见率不同，所以不同波长的光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。光通量与LED中的电流直接相关，在不超过LED最大工作电流时，光通量与工作电流近似成正比。
色温度：色温度是以绝对温度开尔文来表示的。将标准黑体加热，温度升高至某一程度时，其颜色开始由深红逐渐变为浅红、橙黄、白、蓝白、蓝色等。利用这种光色变化特性，某光源的光色与黑体的光色相同时，将黑体此时的绝对温度称为该光源的色温度。在低色温光源的各种色光中，红光的辐射比例相对多些，通常被称为“暖光”；色温提高后，能量分布相对集中，蓝光的辐射比例相对增加，通常被称为“冷光”。色温表征了LED光源发光的光谱质量。图1.3所示的是不同时刻的自然光和相对应的人工光源的色温度，图1.4给出了不同色温度下同一幅画面的成像效果。.png)
发光效率：是指发光体输出的发射功率 Po 与输入的激发功率 Pi（光功率、电子束功率、电注入功率等）之比，即 ηP=Po /Pi，它是一个无量纲的小于1 的百分数。发光效率越高，说明激发 LED 发光的能量越多地转化为 LED 的光能，这个参数表征了 LED 的节能特性，是衡量 LED光源节能的重要指标。
2 LED 的优点
相对于传统的电光源，LED 具有以下优点：
（1）长寿命：LED 属于固体冷光源，由环氧树脂封装，LED 的灯体内没有特别松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等传统光源存在的缺点，在适当的工作电流和工作电压下，LED 的使用寿命可以达到 3 万~10 万小时，比传统光源的寿命长 10 倍以上。LED 与传统照明光源的寿命对比如表 1.1 所示。.png)
（2）节能：LED 的耗电量相当低，由于 LED 采用恒流驱动，功耗很低，电光功率转换接近100%。一般 LED 的工作电压是 3~4V，工作电流是 250~350mA，因此 LED 正常工作时所消耗的电能大概只有 1W，在相同照明效果时 LED 比传统的光源节能 80%以上。LED 与传统照明光源在相同电能下的光效对比如图 1.6 所示.png)
（3）环保：LED 由无毒的材料制成，不像传统的荧光灯含有水银会造成对环境的污染；同时由于 LED 能效高，消耗能源少，可以大大减少 CO 2 的排放量。
（4）体积小：LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，非常小而且非常轻，比传统光源要小巧很多。LED 的这种小型化方便了光源的整体布局，使得光源布局具有较强的设计性，在应用中具有很大的优势。
（5）安全：LED 属于固态冷光源，在一定条件下可以承受一定的冲击，运输与使用过程中比较安全，并可供使用者安全触摸。
（6）发光变换多：LED 的照明发光利用了红、绿、蓝三基色原理，在计算机等的控制下最多可以产生 256×256×256＝16777216 种颜色，这些颜色可以形成不同的光色组合，实现丰富多彩的动态变化效果，呈像清晰细腻，在背光照明中比传统的照明光源强数倍。
3 LED 的应用领域
目前LED照明的应用主要集中在两个方面：一个是低亮度的应用场合，比如笔记本电脑、手机屏幕等的背光照明；另一个是高亮度的应用场合，比如通用照明、汽车车灯、大屏幕背光照明等。
（1）手机背光照明：LED很早就应用于以手机为主的小尺寸背光照明系统中。随着彩屏手机市场的不断发展，彩屏手机的销量不断增加，这就带动了手机背光照明市场的迅速壮大。早在2005年，在手机LED背光照明市场中LED的使用数量就已经突破了12亿颗。最近几年，随着手机数量的放缓和价格的下降，越来越多的厂商把精力向中、大规模的LED照明市场转移，小尺寸的LED市场处于平稳发展状态。
（2）汽车车灯照明：LED应用在汽车车灯上有很多优势：可以承受较强的冲击和震动，行车过程中不易损坏；寿命比传统的白炽灯和荧光灯长，减少了频繁更换车灯的繁琐和浪费；光源启动时间短，提高了行车的安全性。随着LED性价比的不断提高，LED在汽车上的应用会从车灯逐步转移到汽车整体的照明系统，因此发展潜力很大。
（3）景观照明：LED在景观照明市场的发展非常迅速，从2008年的北京奥运会中鸟巢的照明到2010年上海世博会中国馆的照明，无一例外的都使用的是高亮度LED照明。由于LED能耗低，而景观照明属于高能耗，因此如果在景观照明中使用LED，会大大降低能耗。除了奥运会、世博会中利用LED作为景观照明外，中国还制定了“十城万盏”计划，促使北京、上海等地建成一批LED景观照明的形象工程，为全国的城市照明起到一个很好的示范作用。
（4）大屏幕背光照明。LED的大屏幕背光照明在近几年得到了长足的发展。传统的大屏幕背光照明一般采用白炽灯、阴极射线等。LED由于自身的优势，可以利用红、绿、蓝等三基色组合成千万种的颜色，并且组合出来的颜色细腻、不刺眼、眩晕小，相对于传统照明光源灯光色彩的单一、 刺眼，LED背光照明更能满足大屏幕背光照明对于颜色丰富性和柔和性的要求。并且随着近年来LED价格的不断下降、功率等级的不断提高，LED在大屏幕背光照明中的应用会越来越多。
总结
所以，在交流供电场合，LED 驱动电源要求实现高功率因数。为了平衡瞬时输入功率和输出功率，LED 驱动电源中需要容量较大的储能电容，它一般采用电解电容。由于电解电容寿命有限，极大地限制了 LED 驱动电源的寿命。为了提高 LED 驱动电源的寿命，必须去掉电解电容，本文分析了采用反激变换器构成的无电解电容 LED 驱动电源的工作原理，并详细分析了变压器副边电流的谐波含量，由此对输出滤波电容和滤波电感进行了设计，降低了驱动电流的峰均值。
参考文献：
[1]朱永强.新能源与分布式发电技术.北京大学出版社，2010.
[2]朱绍龙.节能高效照明提供优良环境.照明工程学报，2004，15（1）：5-8.
[3]邴树奎，高杰.LED 在照明工程中的应用.照明工程学报，2010，21（5）：101-108.
[4]周志敏，周纪海，纪爱华.LED 驱动电路设计与应用.人民邮电出版社，2006.
[5]苏永道，吉爱华，赵超.LED 封装技术.上海交通大学出版社，2010.
论文作者:孙志锋
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/11/2
标签：光源论文; 光通量论文; 色温论文; 能量论文; 功率论文; 传统论文; 电流论文; 《基层建设》2016年14期论文;