AC LED光源的工作原理及應(yīng)用

LED光源作為綠色、節(jié)能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關(guān)注、如火如荼地迅速發(fā)展。目前的LED光源是低電壓（VF=2→3.6V）、大電流（IF=200→1500mA）工作的半導(dǎo)體器件，必須提供合適的直流流才能正常發(fā)光。直流（DC）驅(qū)動LED光源發(fā)光的技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，由于我們?nèi)粘Ｕ彰魇褂玫碾娫词歉邏航涣鳎ˋC 100～220V），所以必須使用降壓的技術(shù)來獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關(guān)電源降壓，然后將交流（AC）變換成直流（DC），再變換成直流恒流源，才能促使LED光源發(fā)光。因此直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)應(yīng)用方案必然是：變壓器+整流（或開關(guān)電源）+恒流源（圖1）。

LED燈具里必然要有一定的空間來安置這個模塊，但是對于E27標(biāo)準(zhǔn)螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。無論是經(jīng)由變壓器+整流或是開關(guān)電源降壓，系統(tǒng)都會有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉(zhuǎn)換時約15%～30%的電力被損耗，系統(tǒng)效率很難做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驅(qū)動LED光源發(fā)光，系統(tǒng)應(yīng)用方案將大大簡化，系統(tǒng)效率將很輕松地達(dá)到90%以上。

圖1：直流驅(qū)動LED光源的系統(tǒng)應(yīng)用方案

韓國公司早在2005年已發(fā)明可以用交流直接驅(qū)動使其發(fā)光的AC LED，其次是美國 III-N Technology，3N技術(shù)開發(fā)MOCVD生長技術(shù)基礎(chǔ)上的氮化鎵襯底，可以增進(jìn)照明和傳感器的應(yīng)用，并降低成本和提高生產(chǎn)效率。對大大小小的硅發(fā)光二極管提供6英寸生產(chǎn)技術(shù)。3N發(fā)明的單芯片交流發(fā)光二極管（AC LED） ，建立了全面的專利組合，以保護(hù)和改善技術(shù)，牢固地確立其專有的立場，是首屈一指的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的交流發(fā)光二極管產(chǎn)品。

中國臺灣“工業(yè)技術(shù)研究院”2008年也完成可產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并有實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)方案的AC LED產(chǎn)品，可直接插電于60Hz或更高頻率的AC 110V 交流壓使其交流發(fā)光，應(yīng)用于指示燈、霓虹燈、低瓦數(shù)照明燈，能有效解決現(xiàn)有 LED 無法直接在交流源下使用，造成產(chǎn)品應(yīng)用成本較高的缺點(diǎn)。臺灣工研院的On Chip AC LED（片上AC LED）因此獲得素有美國產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新奧斯卡獎之稱的2008年RD 100 Award大獎?，F(xiàn)在全世界只有美國、韓國與中國臺灣有此技術(shù)，臺灣工研院開發(fā)出白光、藍(lán)光及綠光AC LED的制程技術(shù)，不僅與國際同步，也是全球領(lǐng)先者之一。

AC LED燈具的優(yōu)點(diǎn)

與白熾燈、鹵素?zé)?、熒光日光燈、熒光?jié)能燈、直流LED燈相比，AC LED燈具有更節(jié)能省電、更長壽、更有能效的高性價比。AC LED發(fā)光省去了成本不菲的AC/DC轉(zhuǎn)換器和恒流源。交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較如表1所示。

表1：交流LED與現(xiàn)有的照明燈具性能比較

AC LED光源超細(xì)晶粒采用特殊交錯的矩陣排列

　　AC LED光源的重大技術(shù)突破是超細(xì)LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術(shù)，同時利用LED PN結(jié)的二極管特性兼作整流，半導(dǎo)體制程在其中扮演著相當(dāng)重要的角色。AC LED通過半導(dǎo)體制程整合成一堆微小晶粒，采用交錯的矩陣式排列工藝，并加入橋式電路至芯片設(shè)計，使AC電流可雙向?qū)?，?shí)現(xiàn)發(fā)光。晶粒的排列如圖2所示，左圖是AC LED晶粒采用交錯的矩陣式排列示意圖，右小圖是實(shí)際AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通體發(fā)光，因此只需要二根引線導(dǎo)入交流源即能發(fā)光工作。

圖2：AC LED晶粒排列照片與示意圖

AC LED光源的工作原理

AC LED光源的工作原理如圖3，將一堆LED微小晶粒采用交錯的矩陣式排列工藝均分為五串，AC LED晶粒串組成類似一個整流橋，整流橋的兩端分別聯(lián)接交流源，另兩端聯(lián)接一串LED晶粒，交流的正半周沿藍(lán)色通路流動，3串LED晶粒發(fā)光，負(fù)半周沿綠色通路流動，又有3串LED晶粒發(fā)光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發(fā)光，相對橋臂上的LED晶粒同時發(fā)光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發(fā)光。

圖3：AC LED光源的工作原理

在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點(diǎn)亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發(fā)光也是閃動的，LED有斷電余輝續(xù)光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點(diǎn)記憶是有惰性的，結(jié)果人眼對LED光源的發(fā)光+余輝的工作模式解讀是連續(xù)在發(fā)光。LED有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發(fā)熱得以減少40%～20%。因此AC LED的使用壽命較DC LED長。

AC LED成熟的產(chǎn)品如首爾用于AC110V的AX3201、AX3211和用于220V的AX3221、AX3231。用于AC110V功率在3.3W～4W，工作電流40mA；用于AC220V功率在3.3W-4W，工作電流20mA（圖4）。LED晶粒直接邦定在銅鋁基板上。引腳如圖5所示。

圖4：首爾半導(dǎo)體的AC LED

圖5：AC LED引腳圖

AC LED的典型應(yīng)用技術(shù)

AC LED的典型應(yīng)用電原理圖如圖6所示十分簡單，在AC LED兩端分別串入正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC，和限流電阻R1、R2、R3，接上110V或220V交流即可進(jìn)入照明工作。

圖6：AC LED的典型應(yīng)用電原理圖

LED在大批量生產(chǎn)時，其阻抗有一定的離散性，AC LED也如此，為便于下游廠家的大批量應(yīng)用，LED光源生產(chǎn)廠商在出廠時對批量生產(chǎn)的產(chǎn)品按阻抗分檔，客戶在使用時可按LED光源廠家提供的VF分檔表查用相應(yīng)阻值的限流電阻，如表2所示是AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表。

表2：AX3221/AX3231的VF分檔與限流電阻表

AC LED的發(fā)展

AC LED在家用電力上的方便性，不需要像DC LED一樣另外得幫燈具裝上一個交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換器，不但節(jié)省了這顆轉(zhuǎn)換器的成本，也避免LED光源本身還沒壞，但轉(zhuǎn)換器卻先壞掉的窘境。交直流轉(zhuǎn)換器可說是一種隨著時間會老化、壞掉的電子元器件，其壽命比LED光源本身更短，故目前很多LED燈具壞掉，并不是LED光源壽命已盡，而是LED燈具使用的交直流轉(zhuǎn)換器先壞掉了。AC LED還有一個特性，就是因?yàn)槠涔に嚥捎媒诲e的矩陣式排列，是輪流點(diǎn)亮的，在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點(diǎn)亮，也讓AC LED的使用壽命較DC LED長。

不過，AC LED現(xiàn)階段有兩個缺點(diǎn)，其一是發(fā)光效率并沒有DC LED高，這是因?yàn)镈C LED發(fā)展目前是主流，AC LED剛剛起步，AC LED的發(fā)光效率是可以追上，甚至超過DC LED的。其二是AC LED有觸電的風(fēng)險。故AC LED如果要應(yīng)用在LED照明燈具上，應(yīng)避免金屬鰭片的裸露，而應(yīng)是間接地把熱帶走，這也就是發(fā)展新的充液LED固態(tài)照明燈具的設(shè)計核心概念。

AC LED剛剛步入成長期，目前在發(fā)光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應(yīng)用簡便、無需變壓轉(zhuǎn)換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現(xiàn)強(qiáng)大的生命力。AC LED的技術(shù)在飛躍發(fā)展，要不了幾年，高亮度、大功率、低成本的產(chǎn)品將大量面世。