LED 开始占据主导地位

引言与背景
“神说,要有光,就有了光。神看光是好的,就把光和黑暗分开了。”我敢肯定,对《创世纪》中开头这两句话,我们大多数人都很熟悉,而且无论你信不信,事实依然是,我们这个世界确实有黑暗和光。不过光是什么?光从哪里来?它是怎么产生的?它未来会是什么样?
这些问题都很好,但在本文中,我不想一一回答。我只想回顾一下光的简史,从大约140亿年前到今天。为什么从140亿年前开始呢?因为我们知道,根据美国航空航天局威尔金森微波各向异性探测器(wilkinsonmicrowaveanisotropicprobe---wmap)的探测,140亿年大约就是宇宙的年龄。该探测器用来以精细的准确度探测宇宙,检测来自最遥远的宇宙深处之微波,那里就是宇宙大爆炸本身形成的那个正在冷却的火球。当然,我们自己的太阳系(包括太阳和地球)要比宇宙本身年轻得多,年龄仅约45亿年。因此,地球上光的主要来源是太阳。后来,大约40亿年前,月亮形成了。没人准确知道月亮是怎样形成的,尽管有4个主要的假设,即融合、捕获、共同形成和大撞击(如需更多有关这些假设的信息,请见维基百科)。然而,不管月亮是怎样形成的,通过将太阳的光子反射回地球表面,月亮在夜间为我们提供了一个额外的光源。
人们普遍认为,地球上出现人类(直立人)的时间大约在100万年之前,而100万年在宇宙的银河中只不过是一眨眼的功夫!显然,太阳是这些早期人类的主要照明光源,因为直到很久以后,才有了人造照明光源。实际上,很多科学家认为,有无可辩驳的证据证明,大约12.5万年以前,早期人类创造了可控制的火。也就是,人类造出了火把,而且火把成了第一种人造光源。然而,直到1万7千年以前,史前人类才用灯来照明。这些灯通常是用贝壳、岩石或动物角做成的,里面装入动物油或植物油作燃料,并使用一种纤维灯芯。又过了1万年,这些灯的燃料才包括了橄榄、坚果、芝麻或鱼油。在接下来的5000年中,这些灯使用的材料又经过了很多次变化。然后,大约在公元前500年,毕达哥拉斯提出了光的“粒子”理论。该理论假设所有可见物体都会发出稳定的粒子流,这些粒子轰击我们的眼睛。他又进一步提出,“光由射线组成,这些射线像触须一样,射线从眼睛到物体以直线传播,当这些射线触碰到物体时,就获得了视觉。”
直到公元400年,照明领域的下一次进步才出现,即发明了蜡烛。在接下来的1400年间,蜡烛成了主要的照明光源。然而,对现代照明具有重大意义的重要发现出现在1666年,当时才23岁的艾萨克·牛顿(isaacnewton)做了他著名的棱镜实验。他注意到并记录下来,阳光是白色光,其中包含光谱的所有颜色。类似地,1752年,本杰明·富兰克林(benjaminfranklin)用风筝做了他的著名实验。他发明了避雷针,并解释了正负电现象。本杰明·富兰克林的工作具有重要意义,大约100年后发明白炽灯泡时,利用了他的发明和原理。接下来,到了1792年,威廉·默多克(williammurdock)通过给煤加热产生气体,并用该气体给他在英国康沃尔郡的家和办公室照明。这是第一次将气体作为燃料,产生了人造光。之后,在19世纪初,发现了天然气以后,在家庭、办公室、工厂和路灯中,采用气体照明才成为主流。
1877年,托马斯·爱迪生(thomasedison)对电力照明产生了兴趣并做了实验。一年以后,在朋友的帮助下,他创建了爱迪生电灯公司(edisonelectriclightcompany),公司的目标是:“拥有、制造和经营用来通过电产生光、热或动力的各种不同装置,并提供这类装置的使用许可。”尽管爱迪生没有发明采用灯丝的电灯,但是他确实将理论转变为一种切实可行的形式,而且是首批成功地经销白炽灯的其中一要员。第一项涵盖白炽灯的专利实际上是由亨利•伍德沃德(henrywoodward)和马修•埃文斯(matthewevans)于1874年提交的,大约比爱迪生开发电灯早5年。不过,也许德国化学家hermansprengel才是首先发明真空灯泡的人,他于1865年发明了这种灯泡。
尽管100多年来白炽灯泡一直独占鳌头,也免不了遭遇新技术的威胁,另一种新技术即将颠覆白炽灯在照明领域的主导地位,这就是白光发光二极管(即led)。
白光led和行将消亡的白炽灯 led是一种半导体器件,当被施加正向偏置电压时将发出非相干窄谱光,从而产生一种电致发光的现象。换句话说,固态磷光体在电场作用下,将电能直接转换成了光。所发光的颜色取决于所用半导体材料的化学组成,可以是近紫外、可见或红外光。
过去几年,led技术已经显著增强了,在散热、封装和加工方面取得很大进步的同时,不断涌现出更高亮度、更高效率、更长寿命和更低成本的led。与白炽灯泡不同,led没有会烧坏的灯丝,而且led工作时温度往往较低。此外,白炽灯泡浪费了95%的电能,将其转化为热量消耗掉了。
大功率或高亮度(hb)led的光输出已经跨越了每瓦100流明(即100lm/w)的关键里程碑。实际上,有些制造商已经宣布,在实验室中实现了200lm/w的光输出。那么显然,就发光效率而言,led已经超过了白炽灯泡(典型60w灯泡的光输出为15lm/w)。或者,发光效率还可以换一种方式来说,即以流明为单位衡量之光源的光输出量与以瓦为单位衡量产生该光输出所消耗的功率之比。情况还不止于此,预计在未来一年,光输出为150lm/w的led也将在市场上稳定供货。led的另一个好处是寿命长。视计算方法的不同而有所不同,白光led灯至少有5万小时的寿命,有些甚至声称超过了10万小时,而白炽灯的寿命仅约1200至1500小时。
高亮度led灯的价格也在非常快速地下降。几年前,单个白光二极管(几个这样的二极管组成一个led灯,并占led灯成本的大部分)的价格约为4美元,现在已经下降为不到1美元了。很多led行业分析师都预测,在未来一年中,用led灯替换白炽灯的费用将达到消费者可接受的程度。有些led制造商宣布,已经设计出可为led灯供电的发光芯片,使led灯产生的光输出可与大多数家庭普遍使用的75w白炽灯相媲美。这类led芯片要产生同样的照明量,通常仅需要大约9w功率。
这些进步有着重要意义,因为美国能源部已经表示,照明消耗美国所产电力的22%。led照明的广泛使用有可能将照明耗电量削减一半。要正确理解这一点,可以看以下数据,到2027年,led照明有可能减少的年度能源使用量相当于5亿桶石油,伴随而来的是二氧化碳排放量也降低了。
汽车也需要led
今年,高亮度led的市场规模预计将达到120亿美元,到2015年,预计将增长到202亿美元,年复合增长率达到了30.6%(根据strategiesunlimited的研究)。驱动这种显著增长的关键应用领域之一是用于汽车中的led。应用包括从前灯、白天行车灯和刹车灯到仪表板显示器背光照明、以及所有种类的车内梳妆照明。不过,为了保持这种令人印象深刻的增长率,led不仅必须提供更高的可靠性、更低的功耗和更紧凑的外形尺寸,还必须在对比度和颜色准确度方面做出改进。此外,在汽车环境中,所有这些改进都必须进行优化,同时还要承受相对苛刻的汽车电气及物理环境的考验。不言而喻,用在汽车中的解决方案必须提供非常扁平和紧凑的占板面积,同时还要提高总体成本效益。
不过,汽车照明领域这种令人印象深刻的增长潜力是由哪些因素支撑的呢?首先,led的发光效率是白炽灯泡的10倍,而且几乎是荧光灯(包括冷阴极荧光灯)的两倍,因此降低了提供给定的光输出量(以lm/w为单位衡量)所需的电功率。随着led的进一步发展,其效用或从电源产生光输出的能力只会继续提高。其次,我们是一个关注环保的世界,而led照明不需要处理、暴露和弃置于冷阴极荧光灯(ccfl)中常见的有毒水银蒸气。简言之,led是“绿色”的。最后,白炽灯泡在使用约1000小时以后,常常需要更换,而荧光灯可以持续使用长达1万小时。不过,与led照明提供超过10万小时的寿命相比,这些数字就相形见绌了。
在大多数应用中,这种更长的工作寿命使led能永久性地嵌入到最终应用中。这对汽车仪表板、仪器以及信息娱乐系统显示器的背光照明而言,显然非常重要,不过,对于前灯和刹车灯来说,长工作寿命也成了“必须具备”的成份,因为在汽车工作寿命期内,这些灯就不需要更换了。此外,led的外形比其他灯可小好几个位量级,也更紧凑,而且通过红、绿和蓝光led配置,可以提供无限多种颜色。
不过,汽车照明系统设计师面临的最大障碍之一是,怎样优化最新一代led具有的所有特色和益处。因为led一般需要一个准确和高效率的电流源和一种调光方法,led驱动器ic必须设计成能在多种工作条件下满足这些要求。另外,它们的电源解决方案必须非常高效、坚固和可靠,同时还必须非常紧凑和富有成本效益。可以说,就驱动led而言,最苛刻的应用之一将是前灯组装(由远光灯和近光灯、白天行车灯、雾灯和转向信号指示灯组成),因为这些灯处于严酷的汽车电气环境中,同时必须适应范围很宽的温度变化。与此同时,这些灯还必须能放入非常受限的空间中,并具富吸引力的成本结构。
面向汽车前灯应用的新型led驱动器ic lt3791是一款同步4开关降压-升压型led驱动器和稳压器控制器,非常适用于驱动汽车前灯应用中的高亮度led。该控制器用高于、低于或等于输出电压的输入电压工作。该器件具有4.5v至60v的输入范围和0v至60v的输出范围,还能在工作模式之间无缝转换。
图1:lt3791以高达100w的功率驱动一个3aled阵列
ledpower:led功率
一个以地为参考的基准电压反馈引脚(fb)用作几个led保护功能的输入,并使转换器能作为恒定电压源工作,如图1原理图所示。该器件提供故障保护,以承受并报告led开路或短路情况,同时定时器允许lt3791连续运行、在发生故障时锁断或重启。
lt3791具有专有的电流模式拓扑和控制架构,在降压或升压模式均使用电流检测电阻器。被检测的电感器电流由vc引脚上的电压控制(参见图2),该引脚是反馈放大器a11和a12的输出。
图2:lt3791方框图
该vc引脚由3个输入控制,一个来自输出电流环路,另一个来自输入电流环路,最后一个来自反馈环路。哪一个反馈环路电压较高,哪一个就优先,从而强制转换器或者进入恒定电流模式,或者进入恒定电压模式。
lt3791设计为在两种工作模式之间彻底转换。再次参见图2所示的方框图,电流检测放大器a1检测ivinp和ivinn引脚之间的电压,并向放大器a11提供预增益。当ivinp和ivinn之间的电压达到50mv时,a1的输出就提供ivinmon_int,以使a11的输出倒相,而且转换器处于恒定电流模式。如果电流检测电压超过50mv,那么a1的输出就提高,从而引起a11的输出降低,进而降低提供给输出的电流。电流检测电压以这种方式调节到50mv。
输出电流放大器的工作过程与输入电流放大器类似,但是具100mv电压而不是50mv。输出电流检测值是通过ctrl引脚可调的。强制ctrl达到低于1.2v,就可强制ismon_int达到与ctrl相同的值,从而提供电流大小控制。输出电流放大器提供轨至轨工作。类似地,如果fb引脚高于1.2v,那么a11的输出就降低,以减少电流值,并调节输出。这是恒定电压模式。
lt3791提供监视引脚ivinmon和ismon,这两个引脚的电压分别与输入和输出电流放大器上的电压成正比。
结论 在任何类型环境(包括汽车)中使用led照明的好处具有多项积极的意义。首先,这些led灯从不需要更换,因为它们的可靠寿命超过了10万小时,相当于11.5个使用年限。以汽车前灯为例,这允许汽车制造商永久性地将led灯嵌入到车体中,而不需要为了更换而让led灯能拿出来。款式也有可能有很大的改变,因为led照明系统不需要白炽灯泡那么大的深度或面积。最后,在提供光输出(以lm/w为单位衡量)方面,led一般还比荧光灯效率高。这产生了两个积极影响。首先,led灯消耗更低的汽车总线电功率,另外,同样重要的是这降低了需要在前灯中散出的热量,从而不再需要笨重、昂贵的散热器。
最后,希望您喜欢这篇光的简史,从近140亿年前的宇宙大爆炸到今天led开始占据主导地位,光的发展可谓多彩多姿。回顾过去,我们可以清晰地看到,人造光源的创新步伐已达到了以指数规律加快。显然,led的未来一片光明,而白炽灯时代已经显露黯然之态。不过,我们仍然有一个挥之不去的问题:“照明领域的下一件大事会是什么?”敬请关注。

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