大功率半導(dǎo)體燈的制作及其應(yīng)用

3/3大功率半導(dǎo)體燈的制作及其應(yīng)用人類的生產(chǎn)和生活離不開(kāi)照明。電能照明開(kāi)創(chuàng)了人類文明的新時(shí)代.用電能照明需要有電光源。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生發(fā)明了第一代電光源－－-－白熾燈。隨著技術(shù)的進(jìn)步，電光源經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈三個(gè)時(shí)代，發(fā)光效率越來(lái)越高，人們的生活也隨之更加豐富多彩。近年來(lái)，由于半導(dǎo)體光電子技術(shù)的進(jìn)步，又一代新光源--－－發(fā)光二極管的發(fā)光效率迅速提高，預(yù)示著一個(gè)新光源時(shí)代的到來(lái)。目前，國(guó)產(chǎn)商品化白光發(fā)光二極管的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到５0lm/w，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了１5lm/ｗ的白熾燈，光效和60lm/w的熒光燈相近。日本企業(yè)今年計(jì)劃量產(chǎn)１00lm/w以上的白光發(fā)光二極管，這一指標(biāo)超過(guò)了８０l(fā)ｍ/w的稀土三基色熒光燈，逼近光效1４0lｍ/ｗ的鈉燈,就發(fā)光二極管的技術(shù)潛力和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,其發(fā)光效率將達(dá)到２00ｌm／w以上，超過(guò)當(dāng)前光效最高的高強(qiáng)度氣體放電燈，成為世界上最亮的光源。因此，業(yè)界認(rèn)為，半導(dǎo)體照明將創(chuàng)造照明產(chǎn)業(yè)的第四次革命。半導(dǎo)體照明最大量的應(yīng)用將是普通照明領(lǐng)域。半導(dǎo)體燈用于普通照明一般要有比較大的功率.雖然就目前的技術(shù)狀態(tài)來(lái)看,商品化發(fā)光二極管的成本和光效還不太適合用于大功率的普通照明，但由于發(fā)光二極管有安全，長(zhǎng)壽命,顏色種類多，不怕閃爍，調(diào)控方便等優(yōu)點(diǎn)，在某些場(chǎng)合應(yīng)用能夠形成綜合成本優(yōu)勢(shì),實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)始在大功率照明方面獲得應(yīng)用。制造大功率半導(dǎo)體燈既可以用大功率發(fā)光管也可以用小功率發(fā)光管.但不管是用大功率管還是用小功率管，技術(shù)關(guān)鍵都是要解決好電源變換問(wèn)題和燈體的散熱問(wèn)題。下面分別給出用大功率發(fā)光管和用小功率發(fā)光管制做半導(dǎo)體燈的實(shí)現(xiàn)方案。大功率半導(dǎo)體燈的驅(qū)動(dòng)方法發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)的器件,因此，電源變換器的功能就是對(duì)原始電源做變換,為發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的單向驅(qū)動(dòng)電流，保證發(fā)光管在比較高的發(fā)光效率和比較低的光衰下工作。用大功率發(fā)光二極管制作半導(dǎo)體燈可以使用ＡP-2Ｂ320驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器用220伏交流市電供電，給發(fā)光二極管提供320mＡ穩(wěn)定的單向電流，可以串連驅(qū)動(dòng)１0--—－40只１瓦的大功率發(fā)光二極管工作。適合制作1０—40瓦的半導(dǎo)體燈。該驅(qū)動(dòng)器使用高頻變換技術(shù)保持輸出電流的穩(wěn)定性,效率高,體積小。這種驅(qū)動(dòng)器是模塊化結(jié)構(gòu)，無(wú)外圍元器件。驅(qū)動(dòng)器有四根引線,兩根線接交流市電，兩根線接發(fā)光管,通電即可工作.驅(qū)動(dòng)器的體積為：5０x38x25mｍ。AP-2B320AP-2B320AC２20V10—４0只1瓦LＥD用大功率發(fā)光二極管制作半導(dǎo)體燈用的發(fā)光二極管少，沒(méi)有外圍元器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易。但目前大功率發(fā)光二極管價(jià)格相對(duì)較高,因此，燈的成本高。用小功率發(fā)光二極管制作大功率半導(dǎo)體燈用的管數(shù)很多，所以要用串／并聯(lián)結(jié)構(gòu).目前有兩種比較好的技術(shù)方案：第一種方案是用ＺL—２20V/0.５Ａ整流器將交流市電整流濾波,使之成為平滑的直流電，再使用多個(gè)DP－2B4驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光管。DP-2B4驅(qū)動(dòng)器是專用的小功率發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器,使用高頻變換技術(shù)保持輸出電流的穩(wěn)定性,效率高,體積小。高壓直流供電，輸入電壓范圍為直流24０-35０伏,72ｍＡ單向電流輸出，可以并聯(lián)驅(qū)動(dòng)4串小功率發(fā)光二極管，每串串聯(lián)管數(shù)為５—50只，最多驅(qū)動(dòng)200只小功率發(fā)光管。這種驅(qū)動(dòng)器是模塊化結(jié)構(gòu)，有4根引線，兩根線接電源，兩根線接發(fā)光管。通電即可工作。驅(qū)動(dòng)器體積為：24ｘ21.５x１6.mm。整流器DP-2B4DP-2B4DP-2B4整流器DP-2B4DP-2B4DP-2B4AＣ２2０Ｖ小功率發(fā)光管輸入的功率只有大約５0毫瓦，如果要制作３0瓦的半導(dǎo)體燈需要用６00只小功率發(fā)光二極管，600個(gè)小功率發(fā)光管需要3個(gè)驅(qū)動(dòng)器。另外還要配一個(gè)帶濾波的整流器。由于輸入電流小,配套的整流器連續(xù)工作電流大于3００ｍA即可.另一種方案是使用前述的ＡP—2Ｂ32０驅(qū)動(dòng)器直接并聯(lián)驅(qū)動(dòng)１8—-20串小功率發(fā)光管，沒(méi)串管數(shù)１0-—5０只。最多可帶１００0只小功率發(fā)光管。AP-2B320AP-2B320AＣ２２0V這種方案燈的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，成本也比用多個(gè)小功率驅(qū)動(dòng)器加整流器的方案低.發(fā)光管在制造時(shí)同一種管型正向壓降也不可能完全一樣,并且發(fā)光二極管的管壓降具有負(fù)溫度系數(shù),這會(huì)導(dǎo)致多串發(fā)光管并聯(lián)使用時(shí)各串之間的電流不一致，因此，多串發(fā)光管并聯(lián)使用每串發(fā)光二極管要串聯(lián)一個(gè)電阻以平衡各串發(fā)光管之間的電流.小功率發(fā)光管制做大功率半導(dǎo)體燈使用的元器件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配麻煩。但由于小功率發(fā)光管價(jià)格低，燈的生產(chǎn)成本低。大功率半導(dǎo)體燈的熱設(shè)計(jì)燈體的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制作半導(dǎo)體燈的另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。雖然發(fā)光管是冷光源,工作時(shí)自身不是灼熱體,但電流流過(guò)發(fā)光二極管時(shí)產(chǎn)生的電阻熱還是會(huì)使燈體升溫，半導(dǎo)體材料制作的發(fā)光二極管在高溫下會(huì)迅速老化,光效下降。要減緩發(fā)光二極管的光衰,使半導(dǎo)體燈有長(zhǎng)的使用壽命，必須降低發(fā)光管管芯的溫度,要降低管芯的溫度,就要降低燈體溫度,并且要減小發(fā)光管和燈體之間的熱阻，這就要求解決好半導(dǎo)體燈的散熱問(wèn)題。解決散熱問(wèn)題主要靠合理的燈體結(jié)構(gòu)。一種解決方案是使用２——3mm的鋁扳做基扳，大功率管直接安裝在鋁板上,管子之間用引線相連。小功率管可以按照使用的發(fā)光管的數(shù)目在鋁扳上打好孔徑和發(fā)光管外徑相同的孔,再將發(fā)光管緊配合鑲嵌到鋁扳上,發(fā)光管引腳在鋁扳后面相連.燈的外殼也用金屬材料制作,裝好發(fā)光管的鋁扳和金屬外殼緊密裝配，這樣，燈工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)鋁扳傳導(dǎo)到金屬外殼上,金屬外殼暴露在空氣中，熱量就可以通過(guò)輻射和對(duì)流散去。暴露在空氣中的金屬外殼的表面積要按照約每瓦50平方厘米考慮。為了既減小燈的體積又保證較大的散熱面積，燈體外殼應(yīng)該是帶肋條的散熱片結(jié)構(gòu)。最高管芯工作溫度和熱阻造成的管芯和管殼之間的溫差是熱設(shè)計(jì)最主要的考慮因素,對(duì)于大功率發(fā)光管來(lái)說(shuō),1瓦的大功率發(fā)光管熱阻約20℃，也就是說(shuō)，給標(biāo)稱功率１瓦的發(fā)光管輸入1瓦的電功率管芯溫度就比管殼高20℃。３瓦管熱租約1５℃,給3瓦管輸入3瓦的電功率管芯溫度就比管殼高45℃，因此，要使3瓦發(fā)光管制作的半導(dǎo)體燈和1瓦管制作的半導(dǎo)體燈管芯溫度相同，３瓦管制作的燈燈體溫度應(yīng)該比用１瓦管制作的燈更低。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果燈體溫度相同，用1瓦管制作的燈管芯溫度比用３瓦管制作的低。從這個(gè)意義上來(lái)看,用3只1瓦發(fā)光管作3瓦的燈比用1只3瓦管作3瓦的燈更有利于降低管芯的溫度，并且３只1瓦發(fā)光管打出的光通量比1只3瓦發(fā)光管發(fā)出的光通量高。因此，用大功率發(fā)光管制作半導(dǎo)體燈要合理選擇發(fā)光管.為了減少發(fā)光二極管產(chǎn)生的熱量，要選用光效高的發(fā)光管制做大功率半導(dǎo)體燈,因?yàn)樵谳斎胍欢ǖ碾姽β蕰r(shí)，光效高的發(fā)光管發(fā)出的光能量高，發(fā)出的熱能量必然少,這樣就可以減小散熱片的面積.大功率半導(dǎo)體燈應(yīng)用領(lǐng)域舉例一彩色信號(hào)燈和彩色照明大功率彩色信號(hào)燈和彩色照明如果用白熾燈做光源再濾光的辦法,只能利用其中比例很小的有色光,大部分光譜都不能被利用，因此，實(shí)際光效極低.而用半導(dǎo)體燈，由于能用各種顏色的發(fā)光管直接生成所需要的光色,因此，實(shí)際光效比用白熾燈做光源再濾波的辦法高得多,既節(jié)能又長(zhǎng)壽命。典型應(yīng)用如：信號(hào)燈、航標(biāo)燈、草坪燈、廣告燈、紅燈籠等等。二背景燈勾邊燈大功率廣告燈箱用的背景燈,裝飾裝潢和橋梁建筑等用的勾邊燈,用其他光源不好實(shí)現(xiàn)，發(fā)光二極管可以隨意布局，并且還可以根據(jù)需要選用各種顏色.三景觀燈在公園，旅游區(qū)等景觀照明，也可以發(fā)揮發(fā)光二極管布局靈活，顏色多樣性的優(yōu)勢(shì),使風(fēng)景更加亮麗.四路燈等公共照明有些城市已經(jīng)開(kāi)始用半導(dǎo)體燈做路燈或者用于其他公共照明,這也是未來(lái)半導(dǎo)體燈重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,未來(lái)幾年內(nèi)商品化的大功率白光發(fā)光二極管的發(fā)光效率就會(huì)普遍超過(guò)100流明，大功率半導(dǎo)體照明的節(jié)能優(yōu)勢(shì)必將出現(xiàn)。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高和產(chǎn)量的增加，發(fā)光管的生產(chǎn)成本也會(huì)不斷降低。外圍技術(shù)方面，模塊化的發(fā)光管專用電源變換器的品種已經(jīng)十分完備,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