AC LED光源的工作原理及應用

LED光源作為綠色、節能、省電、長壽命的第四代照明燈具而異軍突起、廣受關注、如火如荼地迅速發展。目前的LED光源是低電壓（VF=2→3.6V）、大電流（IF=200→1500mA）工作的半導體器件，必須提供合適的直流流才能正常發光。?直流（DC）驅動LED光源發光的技術已經越來越成熟，由于我們日常照明使用的電源是高壓交流（AC 100～220V），所以必須使用降壓的技術來獲得較低的電壓，常用的是變壓器或開關電源降壓，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光源發光。因此直流驅動LED光源的系統應用方案必然是：變壓器+整流（或開關電源）+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標準螺口的燈具來說空間十分有限，很難安置。無論是經由變壓器+整流或是開關電源降壓，系統都會有一定量的損耗，DC LED在交流、直流之間轉換時約15%～30%的電力被損耗，系統效率很難做到90%以上。如果能用交流（AC）直接驅動LED光源發光，系統應用方案將大大簡化，系統效率將很輕松地達到90%以上。

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?圖1：直流驅動LED光源的系統應用方案

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

????????中國***“工業技術研究院”2008年也完成可產業化生產并有實際應用系統方案的AC LED產品，可直接插電于60Hz或更高頻率的AC 110V 交流壓使其交流發光，應用于指示燈、霓虹燈、低瓦數照明燈，能有效解決現有 LED 無法直接在交流源下使用，造成產品應用成本較高的缺點。***工研院的On Chip AC LED（片上AC LED）因此獲得素有美國產業創新奧斯卡獎之稱的2008年R&D 100 Award大獎?，F在全世界只有美國、韓國與中國***有此技術，***工研院開發出白光、藍光及綠光AC LED的制程技術，不僅與國際同步，也是全球領先者之一。

???????? AC LED燈具的優點

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

表1：交流LED與現有的照明燈具性能比較

???????? AC LED光源超細晶粒采用特殊交錯的矩陣排列

　　AC LED光源的重大技術突破是超細LED晶粒在封裝時的特殊排列組合技術，同時利用LED PN結的二極管特性兼作整流，半導體制程在其中扮演著相當重要的角色。AC LED通過半導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計，使AC電流可雙向導通，實現發光。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，右小圖是實際AC LED晶粒排列照片，AC LED晶粒在接上交流后通體發光，因此只需要二根引線導入交流源即能發光工作。

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接交流源，另兩端聯接一串LED晶粒，交流的正半周沿藍色通路流動，3串LED晶粒發光，負半周沿綠色通路流動，又有3串LED晶粒發光，四個橋臂上的LED晶粒輪番發光，相對橋臂上的LED晶粒同時發光，中間一串LED晶粒因共用而一直在發光。

圖3：AC LED光源的工作原理

??????? 在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮。整流橋取得的直流是脈動直流，LED的發光也是閃動的，LED有斷電余輝續光的特性，余輝可保持幾十微秒，因人眼對流動光點記憶是有惰性的，結果人眼對LED光源的發光+余輝的工作模式解讀是連續在發光。LED有一半時間在工作，有一半時間在休息，因而發熱得以減少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：首爾半導體的AC LED

?圖5：AC LED引腳圖

????????? AC LED的典型應用技術

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

圖6：AC LED的典型應用電原理圖

???????? LED在大批量生產時，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用，LED光源生產廠商在出廠時對批量生產的產品按阻抗分檔，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直流的轉換器，不但節省了這顆轉換器的成本，也避免LED光源本身還沒壞，但轉換器卻先壞掉的窘境。交直流轉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換器先壞掉了。AC LED還有一個特性，就是因為其工藝采用交錯的矩陣式排列，是輪流點亮的，在60Hz的交流中會以每秒60次的頻率輪替點亮，也讓AC LED的使用壽命較DC LED長。

????????不過，AC LED現階段有兩個缺點，其一是發光效率并沒有DC LED高，這是因為DC LED發展目前是主流，AC LED剛剛起步，AC LED的發光效率是可以追上，甚至超過DC LED的。其二是AC LED有觸電的風險。故AC LED如果要應用在LED照明燈具上，應避免金屬鰭片的裸露，而應是間接地把熱帶走，這也就是發展新的充液LED固態照明燈具的設計核心概念。

??????? AC LED剛剛步入成長期，目前在發光亮度、功率等方面還不夠理想，但AC LED的應用簡便、無需變壓轉換器和恒流源，以及低成本、高效率已顯現強大的生命力。AC LED的技術在飛躍發展，要不了幾年，高亮度、大功率、低成本的產品將大量面世。