LED照明的创新照亮未来

作者：Ali Husain

有许多人声称自己是电灯的发明者，在19世纪中叶的许多发展为世界变得更亮一点铺平了道路。

我们可能无法查明确切的“发现”！但我们知道的是，1879年，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）申请了第一个商业上成功的带有碳化竹丝的电灯泡专利。除了细丝材料的微小改进，包括20世纪初期从碳到钨的转变，我们从那时起直到最近基本上一直在使用爱迪生的古老技术。

白炽灯泡迅速普及，提供了低成本和高质量的照明。但在过去的一二十年中，照明技术发生了根本性的变化，在大多数住宅和商业设施中，LED取代了传统的白炽灯（如图1）。

图1 LED照明光效

1

LED接替

LED灯自20世纪60年代就出现了，但是直到20世纪90年代蓝色LED的发明才使白色LED灯泡得以制造。从那时起，因其价格稳步下降已成为许多市场上的主导技术，以与传统灯泡竞争。

在全球住宅销售中，在2018年LED也已超过日光灯，达到40%的市场份额。今天，1个LED灯泡可能会在许多国家零售2~5美元，在一些地区价格甚至更低。例如，在印度，政府通过对当地制造商减税收和关税，成功地推动了LED照明的采用。

与白炽灯泡相比，LED具有多种优点：它们使用时间长得多，产生的热量更少，功耗更少，从而降低了使用寿命成本，而且它们更低的耗电量使它们更环保。LED也比大多数日光灯使用的功率更小，并且具有在打开时立即达到全亮度的优点。

2

更绿色

照明占全球用电量的很大一部分，据欧盟委员会估计约为15%。在美国，住宅和工业/商业领域的照明使用总能源（不仅仅是电力）的7%。

随着气候危机的到来，我们需要减少照明的耗电量——而且需要大幅削减，以使签署《巴黎协定》的国家能够实现其温室气体减排目标。

LED可以帮助实现这一点：住宅LED灯通常为其消耗的每瓦特提供超过90流明的照明能效(lm/W)，而供应商声称一些新型号为200 lm/W或更多。相比之下，传统灯泡可能会达到15 lm/W，卤素灯25 lm/W，“节能”日光灯通常在55~60 lm/W左右。

对于企业来说，选择的灯源通常是日光灯，相对能效在100 lm/W左右。但它所产生的光的质量是刺眼的，LED产生的更暖的光通常是大多数人的首选——更新的LED以日光灯一半的电力提供相同数量的光，这是双赢的。

较低的电力消耗也创造了新的机会，使以前没有的电灯成为可能——特别是没有主电网的太阳能电灯。例如，2010—2017年间，部署了1.3亿盏太阳能灯，主要在非洲和亚洲。日落后有干净、安全的照明，这可以大大提高人们的生活质量，及孩子能在家学习。

政府法规加快了在某些地区转向LED。例如，在欧盟，对于LED灯有最低能效标准，不再允许出售其他能效较低的灯。

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推动高能效

对于住宅和商业照明，我们需要为我们的LED供电高压交流电 (AC) 电源。但是LED需要更低的电压和直流电 (DC) 。为了在恰当的电压下将交流电转换为直流电，我们需要适当的驱动器和其他电源管理器件-这些不可避免地带来了一些低能效，我们显然希望将其对能效的影响最小化。

根据电流和颜色的不同，LED的正向电压可能从小于2 V到4.5 V不等。像安森美半导体这样的公司一直是LED采用的推动者，通过利用他们在电源管理的专知来开发所需的器件以可靠和高效地驱动LED。

例如，安森美半导体的NCL30082是个LED驱动器(如图2)，设计用于采用交流输入电源。它包括一个提供高能效的脉宽调制 (PWM) 电流模式控制器，一种减少所需的外部器件数的新的控制方法。该驱动器还支持LED调光。安森美半导体也提供输入桥整流器和超结MOSFET，完善电源转换电路，以驱动LED。

图2 NCL30082内部电路架构

同LED驱动器一样，照明应用需要其他器件来创建一个完整的系统。这包括传感器，如检测环境光水平，以便LED亮度可以自动调整，或检测到在办公室有人时开灯。

有些应用中需要的另一个器件是LED旁路分流器，如安森美半导体的NUD4700。这确保了如果一个LED失败，分流可使电流在失效的LED周围流过，使LED串的其余部分保持点亮（如图3）。

图3 LED旁路分流最大程度地减小失效LED的影响

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展望未来：照明变得更智能

“智能”或“联接”照明是又一个增长趋势，这不仅是因为它为LED灯具供应商提供了一个机会来区分他们的产品，并增加利润率。更重要的是，它可以通过自动化和用户控制而不仅仅是使用LED来进一步节省电力，例如，在一天中的特定时间自动调整照明条件，如在周末关闭办公室灯。

灯具可以使用电力线联网控制，如行业标准的KNX®网络，或无线技术，如Zigbee®技术和蓝牙®技术。随着LED本身价格的下降，这些联网产品的成本近年来急剧下降，因此智能LED灯泡对于住宅使用变得越来越负担得起。

互联照明现已成为智能家居和楼宇领域中增长潜力最大的领域。随着越来越多的消费者开始在自己的房屋中添加智能家居技术，包括语音控制助手如Amazon®Alexa®语音控制助手，智能照明市场在未来几年可能会快速增长。LED可以调光并且颜色可以变化，从而实现家庭照明的新发展，使其能对环境光、一天中的时间、甚至电视输出作出响应。安森美半导体的互联照明平台是个模块化套件，让工程师能测试配有蓝牙技术、Zigbee技术或其他无线技术的各种LED电源方案。