任务二
LED照明产品与应用前景

知识点1：LED照明产品介绍

1. LCD背光照明

LCD为非发光性的显示装置，需要借助背光源才能达到显示的功能。背光源性能的好坏会直接影响LCD显示质量，背光源的成本占LCD模块的3%～5%，所消耗的电能更占LCD模块总能耗的75%，因此背光源是LCD模块中相当重要的组件。目前LCD背光源主要有EL、CCFL及LED三种类型，其中LED背光源已是市场主流技术。LED背光源结构如图1-22所示。

LED作为LCD背光源，与传统CCFL背光技术相比，除了有色度范围的优势外，还有很多独特的优点，归纳为以下十个方面。

①LED背光源有更强的色彩表现力。其色彩表现力强于CCFL背光源，可对显示色彩数量不足的液晶技术起到很好的弥补作用，色彩还原效果更好。显色色域面积从70增加到90，如用RGB白光还可增加到126。

②LED的使用寿命可长达10万小时。即使每天连续使用10个小时，也可以连续用上27年，大大延长了液晶电视的使用寿命。

③亮度调整范围大。通过改变LED的驱动电流可以很容易地实现LED功率和亮度的控制，不像CCFL一样其最低亮度还存在一个门槛。因此，无论在明亮的户外还是全黑的室内，用户都很容易把显示设备的亮度调整到最舒适的状态。

④完美的运动图像。传统CCFL灯管的闪烁发光频率较低，表现动态场景时可能产生画面跳动。LED背光可以灵活调整发光频率，而且频率远远高于CCFL，因此能完美地呈现运动画面。

⑤实时色彩管理。由于红绿蓝3色独立发光，因此很容易精确控制当前的显示色彩特性。

⑥可以调整的背光白平衡，同时保证整体对比度。当用户的视频源在计算机和DVD机间切换时，可以轻松在9600K和6500K间调整白平衡，而且不会牺牲亮度和对比度。

⑦可以为大尺寸屏幕提供连续面阵光源。LED是一种平面状光源，最基本的发光单元是3mm～5mm边长的正方形封装，极容易组合在一起成为既定面积的面光源，具有很好的亮度均匀性。如果作为液晶电视的背光源，所需的辅助光学组件可以做得非常简单，屏幕亮度均匀性更为出色。

⑧安全。LED使用的是5V～24V的低压电源，十分安全，供电模块的设计也颇为简单。

⑨环保。LED光源没有任何射线产生，也没有汞之类的有毒物质，可谓是绿色环保光源。

⑩抗振。平面状结构让LED拥有稳固的内部结构，抗振性能很出色。

2.显示屏幕

LED在显示屏幕领域的应用占LED应用的20%～25%，显示屏幕可分为单色和彩色。单色显示屏幕一般用于室内外信息的显示，主要用于公共场所，如机场、车站、通道、银行等，以显示文字和数字信息为主。彩色屏幕以显示广告居多，全彩色LED大屏幕应用于体育场馆和广场等室外场所，可以显示比赛现场的动态画面。LED在显示屏幕领域的应用如图1-23所示。

3. LED室内照明

（1）LED日光灯管

LED日光灯管采用高亮度白光LED作为发光光源，外壳由导热性能好的亚克力/铝合金材料制成，如图1-24所示。

LED日光灯管主要有两种结构方式，一种采用小功率器件，采用的LED颗粒比较多，成本较低，但整体照度水平低；另一种采用贴片式大功率器件，采用LED颗粒少，照度水平较高，但对光学设计的要求很高，否则分布控制较差，眩光问题严重。

LED日光灯与传统的日光灯在外形尺寸、口径上都一样，长度有60cm、120cm和150cm三种，功率主要有6W、9W、10W、12W和20W等，LED日光灯管的节电效果非常显著，节电率可以高达75%，是未来照明灯具制造业发展的方向。LED灯管使用功率和荧光灯管使用功率对比情况如下。

①6W的LED灯管的亮度与20W的日光灯管的亮度相当。

②9W的LED灯管的亮度与30W的日光灯管的亮度相当。

③12W的LED灯管的亮度与40W的日光灯管的亮度相当。

（2）LED球泡灯

LED球泡灯是替代传统荧光灯泡的新型节能灯具，外观采用人们已经习惯的球形灯泡外形，如图1-25所示。

目前，照明使用的LED球泡灯多采用中功率SMD LED器件制作，为了防止眩光问题，外壳通常会使用磨砂玻璃或亚克力来制作。LED球泡灯可以直接由市电驱动，大部分产品具有较宽的电压输入，输入范围为AC 85V～265V。LED球泡灯工作方式与LED日光灯管类似，也具备常见LED灯具的优点：节能环保、使用寿命长、健康无频闪等。

（3）LED投射灯

LED投射灯主要用于单体建筑照明、历史建筑群外墙照明、大楼内光外透照明、室内局部照明、绿化景观照明、广告牌照明、医疗、文化等专门设施照明，酒吧、舞厅等娱乐场所气氛照明等。外形如图1-26所示。

现在应用较多的LED投射灯基本上都选用1W大功率LED芯片（每个LED芯片会带有一个由PMMA制成的高光效透镜，其主要作用是二次分配LED发出的光），呈单线排列。大多数LED投射灯的LED都是共用一个散热器，也有的厂家是每一个LED安置一个小型散热器，其发光角度一般有窄（20°左右）、中（50°左右）、宽（120°左右）三种。目前，大功率LED投射灯（窄角度）的最远有效投射距离为15m～20m，其常用功率大概有8W、12W、24W、27W、36W等几种功率形式。

（4）LED面板灯

LED面板灯是目前使用较广泛的室内照明灯具，其外边框由铝合金经阳极氧化而成，光源为LED，如图1-27所示。整个灯具设计美观简洁、大气豪华，既有良好的照明效果，又能给人带来美的感受。

LED面板灯设计独特，光经过高透光率的导光板后形成一种均匀的平面发光效果，其结构主要由铝材边框、LED侧发光光源、导光板和电源等组成。其中导光板的作用是将侧面LED光通过网点折射使光线从正面均匀导出，是LED面板灯质量控制的关键。

LED面板灯外形尺寸规格主要有1200mm×300mm、300mm×300mm、300mm×600mm、600mm×600mm及600mm×1200mm等类型，侧光源多采用贴片式LED。整灯光通量为80lm/W～100lm/W，表面照度大于6000lx，色温为3000K～6500K，显示指数大于75。

LED面板灯的应用广泛，主要应用在以下几个地方。

①天花板（代替原来的格栅灯）。

②墙壁（不仅仅充当照明用途，还具有艺术体现）。

③安装体（追求实用和艺术结合，方便简单安装）。

④其他（还可用在其他地方，如火车车厢或者大型移动车体内、柜台等）。

（5）LED筒灯

LED筒灯是应用新型LED照明光源在传统筒灯基础上改良开发的产品，一般安装时将其嵌入到天花板内。LED筒灯是光线下射式的照明灯具，属于定向式照明灯具，只有它的对立面才能受光，光束角属于聚光，光线较集中，明暗对比强烈，如图1-28所示。

4. LED路灯

路灯是城市照明的重要组成部分，传统路灯采用的高压钠灯光效较低的缺点造成了能源的巨大浪费。LED路灯与常规高压钠灯不同，其内部光源多采用大功率白光LED，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快以及显色指数高等特点。其实物和内部结构示意图如图1-29所示。

LED路灯与传统路灯相比有着显著的优点，因此LED路灯势必成为道路照明节能改造的最佳选择。另外，现在许多LED路灯厂家将太阳能和风能等新型清洁能源技术与LED路灯技术相结合，推出风光互补LED路灯等新型路灯，更突显其节能、环保的特性。

5.汽车照明

LED应用于汽车照明始于20世纪80年代中期，当时主要应用于汽车的高位刹车灯。LED能够经受较强的机械冲击和振动、平均工作寿命长、驱动电流低；同时，LED的低功耗还可以降低汽车系统内部线路的体积和重量，减少集成化LED信号灯的内部温升。这些优点使LED在汽车照明领域占据一席之地。

目前，LED已经广泛应用于汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯和头灯。LED刹车灯的响应时间为100ns，可以给司机留下更多的反应时间，从而提高了行车安全。目前，高档汽车装备了LED前照灯，效果很好，并向智能化方向发展。LED在汽车照明领域的应用如图1-30所示。

6.特殊照明

LED在特殊照明中的应用包括航空航天、矿灯、应急灯、军用装置等产品。LED在特殊照明领域的应用如图1-31所示。

7.信号指示灯

LED作为信号指示灯，具有可靠性高、维护次数少、寿命长和节约能源等优点，能够在停电期间采用电池供电。广泛应用于指示牌、交通信号灯等产品。LED在信号指示领域的应用如图1-32所示。

8. LED的新应用

除了具有传统的照明功能外，LED还具有数据传输和刺激细胞生长等功能，LED新型应用的研究成果如图1-33所示。

知识点2：LED的应用前景

固态LED照明的形势越来越好，其应用领域在全球范围内不断扩大，包括室内外照明、汽车内部、电视与监视器、手机与其他消费电子产品的背光，甚至汽车大灯。LED比其他类型光源更受青睐，原因并不神秘。据美国能源部的固态照明研究与开发计划，与高强度气体放电（HID）灯泡、荧光灯管和节能灯（CFL）、卤素灯和白炽灯相比，LED具有更高的效能和更长的寿命。一只冷白光LED的最大效能是132lm/W，而白炽灯只有区区的15lm/W，二者的寿命分别为5万小时与1千小时。而LED照明所使用的功耗只是白炽灯的20%，这在全球都日益重视节能的今天是非常重要的优点。

我国LED产业起步于20世纪80年代，先后经历了进口芯片封装、进口外延片封装、自制材料和器件等几个阶段。目前我国LED产业集中在产业链下游，企业规模小，研发能力不强，企业众多，与国外技术水平差距较大，难以形成独特竞争力。为了缩小与国际先进技术水平的差距，主要应从以下几个方面做出改进。

①优化驱动器设计。驱动LED是一项复杂任务。这是因为LED照明的应用可能发生改变。效率与颜色准确度等性能参数会受到LED驱动方式的极大影响。

②解决温度过高的老问题。当以较高的电流驱动的时候，LED的表现处于变化之中。较高的电流不仅带来较高的输出流明，而且会显著提高温度使之远高于LED所处的环境温度。有人估计70%的LED效能以热量形式散发了，因此必须通过传导或对流来消除热量。

③各大厂商的设计方案增加共识。国家半导体的LM3464和LM3424驱动器采用了一种热管理方式，通过降低输出来调节电流，使LED保持在最大工作温度范围之内。国家半导体还推出了LM3445 LED驱动器，以满足欧洲EN61000-3-2标准，该标准对功率超过25W的照明产品的总谐波失真进行了严格的限制。为了达到功率因数校正（PFC）要求，该驱动器使用PFC来使输入电流与输入电压保持同相。

④提高制造良品率。LED在固态照明领域得到越来越广泛的应用，在大型衬底单晶片上面制造LED并取得较高的良品率，是降低其成本的关键。目前的多数LED是在基于GaN的2in 和4in蓝宝石晶片上面生产出来的，存在良品率不一致的问题。因此需要对颜色亮度、前向电压和其他变量进行检测并根据结果分档。

知识点3：LED新技术

1. AC LED

目前，广泛应用的LED照明产品都是直流（DC）驱动的，统称为“DC LED”。这些产品在采用市电电源供电时，首先需要对市电电源进行AC-DC变换和DC-DC变换。在变换过程中，电力损耗达20%甚至30%以上，致使系统效率很低。2005年1月，韩国首尔半导体公司率先推出了市电电源直接驱动的“AC LED”。这种产品仅需串联一个限流电阻就可以直接利用AC市电驱动，应用方便、设计简单。

（1）AC LED的工作原理

AC LED的核心技术是超精细LED芯片在封装中的特殊排列组合技术，同时利用LED PN结的单向导电性兼作整流。在AC LED的制作过程中，将一堆LED芯片采用交错矩阵排列工艺整合在一起，并加入桥式整流电路设计，使AC电流可双向流动，实现发光。

举例说明：将LED芯片串接成5串，每串含2个芯片，其中4串LED芯片组成1个整流桥，剩下的1串LED芯片安置在整流桥对角线 BC 上，AC电源加至整流桥的 A 和 D 点，如图1-34（a）所示。在AC电源正半周，电流沿 PA → AB → BD → DC → CN 通路流动， AB 、 BD 和 DC 这3串LED芯片发光；在AC电源负半周，电流沿 NC → CB → BD → DA → AP 通路流动， CB 、 DB 和 DA 这3串LED芯片发光； V _IN 和 V _OUT 的波形如图1-34（b）所示。每对平行桥臂上的LED芯片轮流发光，位于对角线 BC 上的一串LED芯片一直在发光。由于LED芯片断电后其余辉可维持几十微秒，人眼的惰性观察不到已经断电的LED芯片熄灭，因而感觉不到闪烁。整流桥上的4串LED芯片有一半时间不工作，其发热量可减少20%～40%，因此AC LED的使用寿命比DC LED长。

（2）AC LED产品

韩国首尔半导体在早期成熟2W和4W产品的基础上，陆续推出了Acriche系列产品，如表1-2所示。Acriche系列产品已经获取了欧洲的“CE”和“TUV”安全认证，并在欧洲和北美国家安装使用。

（3）AC LED产品应用

AC LED通常只需串联一个限流电阻就可由AC电源直接驱动。图1-35是带板的产品及应用电路。图1-36是不带板的AW3220产品的应用电路及产品设计中的电阻定值。

（4）AC LED的发展趋势

AC LED的发展趋势应专注于以交流电驱动的产品为主，如照明灯具、电视背光源、出入口指示灯及建筑景观照明等应用。目前在发光亮度、安全性和功率等方面还不够理想，但AC LED的应用简便、无需电压转换器和恒流源，它的低成本、高效率已显现出其强大的生命力。

2.白光OLED

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED），是用含碳元素的有机半导体材料和发光材料制成的一种层状结构的薄膜固体发光器件，因此被称为有机LED。OLED的一般结构包括阴极、发射层、导电层、阳极和底基，如图1-37所示。

（1）OLED的发光原理

OLED的发光原理与LED相类似，当给OLED施加一个偏置电压时，电流从阴极通过有机层流向阳极。电子从阴极注入发射层，阳极抽取电子在传导层留下的空穴；在发射层与传导层之间的边界，电子遇到空穴并填入到空穴中发生复合，以光的形式释放出额外的能量，从而使OLED发光。

OLED发出光的颜色取决于发光材料的类别和成分，采用RGB三色排列等方法或使用彩色滤色膜，则可以实现OLED的全彩色。

（2）白光OLED的制备方法

用于照明的白光OLED制备方法主要有波长转换法和颜色混合法两种。

①波长转换法。采用发蓝光的OLED激发橙色、黄色、红色荧光粉或磷光粉可以实现白光。这种方法是在一个发蓝光的OLED的出光玻璃面上涂上一层光转换层，转换层所用的材料可以是有机发光材料，也可以是无机磷光材料，需要选择高荧光量子效率和良好稳定性的材料。这种方法的优点是消除了器件与转换层之间的相互影响；不足之处是蓝光OLED的效率和稳定性存在一些问题，并且在光转换时存在能量损耗，效率不高。

②颜色混合法。采用蓝光和橙光两种补偿光或红、绿、蓝三基色通过掺杂或多层的方式产生白光。具体实现结构有以下5种。

a.蓝和橙或红、绿、蓝组成的多层结构：通常是用有机小分子材料通过真空蒸镀的方法来制备，既可以设计成蓝光和橙光2层结构，也可以设计成红、绿、蓝3层结构，并通过改变各发光层发射光的比例来实现白光发射。

b.蓝和橙或红、绿、蓝掺杂单发光层结构：采用蓝和橙或红、绿、蓝染料按一定比例共同掺杂到单一主体聚合物材料中，既可以采用旋涂方法制备，也可以利用单发光层结构的真空蒸镀方法实现，这种方法的关键是控制好多源掺杂时的浓度。

c.垂直堆积结构：利用一种电荷产生层作为连接层，把数个发光单元串联起来，不同颜色的发光单元串联混合后便产生白光，这种方法的关键技术是电荷产生层的设计。

d.微腔结构：由两个发射镜及其中间所夹的工作物质所组成，其中的发射镜可以均为金属，也可以是由介质层堆积的分布式布拉格反射器（DBR），还可以一侧是金属、一侧是DBR。微腔对自发射具有放大作用及模式选择效应，能提高器件的亮度和效率。

e.本征单层结构：以单一聚合物为主，可采用旋涂、喷墨和印刷等工艺加工成膜。采用这种结构的白光OLED，亮度达12680cd/m ² ，效率为8.99cd/A，发光效率为5.75lm/W，具有非常好的光谱稳定性。

（3）白光OLED的发展趋势

白光OLED的特性是它本身发光，不像TFT LCD需要背光，同时它对于温度的要求不高，可以用在比液晶更恶劣的环境中。白光OLED的视度和亮度都很高，因此它的应用前景广阔，包括手机和掌上电脑的显示屏幕、电梯的指示牌、平板灯、壁挂电视的屏幕、商场或火车站广告牌等领域。

3. RGB-LED

（1）发光原理

RGB-LED是用R、G、B三色LED获得全彩色效果的新型半导体发光器件。美国科锐（Cree）公司推出了红、绿、蓝、白4种管芯封装而成的XLamp MC系列的全彩色LED，每一个LED芯片都可以独立控制，提供各种不同的色彩输出。如图1-38所示，是世界首款4芯大功率彩色LED。

（2）应用领域

①适用于照明及显示领域，其清晰度与色纯度均优于白光LED。

②在光的混色上具备更多元的特性，如同画家的调色盘一样，可随心所欲地调出最亮丽的色彩和高品质的画面。

③用作液晶电视的背光，比白光LED背光的液晶电视能表现出更好的色彩。

④配合专用驱动器和微控制器，实现智能化混色、调光等智能照明效果。 jl4tkULDMRySdOL0pkYMwKexbFNgr91UkGQ9XR1qQlAhAOJWtG9PMqaqkuKTXl4m