油性皮肤不长痘的秘诀:AC-LED光源的发光效率分析

摘要：本文从AC LED应用电路模型和其内部结构出发分析了AC LED光源的光效问题，给出AC LED发光效率的解析表达式。AC LED的发光效率取决于单颗LED晶粒的电光转换效率，且光效随着LED晶粒串联数量的增加而提高，因此设计中宜使用低导通电压的LED晶粒；其它条件相同的情况下，AC LED应用电路中采用高阻值限流电阻相对于采用低阻值限流电阻而言有较高的发光效率。
 
关键词：AC LED 发光效率交流发光二级管光源
 
Luminous efficiency Analysis of AC LED
Gao yingming^* Zou nianyu^* Zhang huanyue^** Cao guanying^* He xiaoyang^*
*Dalian Polytechnic University Instutute of photonics
^**2Dalian University of Technology Department of Material Engineering
 
Abstract: This paper analysis luminous efficiency of AC LED from its application circuit and its interior structure. The analytic expressions of AC LED luminous efficiency are obtained. Luminous efficiency of AC LED is decided by single LED electro-optic transfer efficicncy, AC LED luminous efficiency increase with the amount increase of series connection LED grain, so AC LED should be adoped low forward voltage LED grains. Using high current limiting resistance, luminous efficiency is higher than using low current limiting resistance.
 
Key words:AC LED; Luminous efficiency;AC Light Emitting Diode
 
1  引  言
AC LED光源是近年来出现的一种不需要交直流转换，直接能在工频交流电源下工作的新型光源。DC LED灯具在组成结构上与传统灯具最大的区别在于多了交直流转换电源，分析表明DC LED交直流转换电源的寿命瓶颈极大制约了DC LED的使用寿命；此外，由于很多直流驱动电源结构设计不合理，功率因数低于80%，由此造成的高容、感抗电流，在大规模照明系统中干扰电网的运行。
由于AC LED光源相对于DC LED光源具有应用电路简单、长寿命、发热量低等诸多优点，因此它的出现给传统DC LED照明光源带来了极大挑战。虽然AC LED光源具有上述诸多优点，但目前仍存在成本高，发光效率低的缺点^[1][2]。
作为能够替代DC LED的照明光源，AC LED受到了相当的关注。韩国首尔半导体公司于2005年推出首款不需要任何附属设备的AC LED产品；中国台湾工研院推出的AC LED产品凭借其低热阻的可热插拨的封装形式获得美国R&D100大奖。
2  AC LED光源原理
 
     
图1  ACLED光源原理
 
超细LED晶粒技术的突破，使得相同基片上可以放置更多的LED晶粒，这些晶粒可通过组合技术排列成特殊的结构形式。AC LED在内部可看作由许多发光二极管组成的若干整流桥并连构成，由于单颗LED的导通电压相对于工频电压很低，为提高AC LED的耐电压能力，减小限流电阻的热损耗，每个整流桥的臂串连多颗LED晶粒（如图1b）。事实上，AC LED光源并非改变了LED直流激发的工作机理，而是通过特殊半导体制造工艺得到的一种具有一定LED晶粒规模的单片化的新型LED光源。
AC LED的应用电路非常简单，是由AC LED、限流电阻和交流电源组成的闭合回路。设在每个正弦交流电周期的正半周，电流的流向为i+，则负半周电流的流向为i-（如图1b所示）。即在正弦交流电供电情况下，整流桥的两臂被交替点亮，如果工频交流电的频率为50Hz，则AC LED的亮度变化频率（频闪）为100Hz，有利于提高人眼的舒适性。此外，由于AC LED光源每个整流桥桥臂的工作时间为全部AC LED光源工作时间的1/2，因此，这种交替工作方式有利于减小发热量，方便散热装置的设计。
 

图2  ACLED有效工作电压与工作电流波形
 
由于AC LED存在导通电压，其两端驱动电压超过其导通电压是AC LED被点亮的必要条件。而工频交流电压会周期性地通过0点，只有当实际有效的电压值超过AC LED的导通电压VF，AC LED才会被点亮，低于导通电压AC LED不会被点亮。而对于传统的DC驱动方式则可以使得LED光源始终以固定亮度被点亮，这便是造成AC LED光源发光效率低的原因之一。本文把高于AC LED导通电压的工频交流电压部分称为AC LED的有效工作电压。图2所示为导通电压为VF=150V的AC LED在220V、50Hz工频交流电供电和限流电阻为的情况下，其工作电流和有效工作电压波形。
3  AC LED发光效率分析
设交流电的表达式为，周期；设单颗LED晶粒导通电压为，整流桥臂串连的LED晶粒数为N，则AC LED导通电压为；限流电阻阻值为（如图1）。
AC LED被点亮的有效时区为


当时，有效电压对应的区间为，则时，AC LED的有效工作电压为
              
则AC LED点亮后，通过的电流大小为                

根据交流电流的有效值 的定义^[3]，得AC LED电流有效值

                              

式(3)代入式(4)得到