照明的光明未來

要有（電）燈！但誰負責(zé)點亮呢？

有許多人聲稱自己是電燈的發(fā)明者，在19世紀中葉的許多發(fā)展為世界變得更亮一點鋪平了道路。

我們可能無法查明確切的“發(fā)現(xiàn)”！但我們知道的是，1879年，托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）申請了第一個商業(yè)上成功的帶有碳化竹絲的電燈泡專利[^[1]]。除了細絲材料的微小改進，包括20世紀初期從碳到鎢的轉(zhuǎn)變，我們從那時起直到最近基本上一直在使用愛迪生的古老技術(shù)。

白熾燈泡迅速普及，提供了低成本和高質(zhì)量的照明。但在過去的一二十年中，照明技術(shù)發(fā)生了根本性的變化，在大多數(shù)住宅和商業(yè)設(shè)施中，LED取代了傳統(tǒng)的白熾燈（如圖1）。

圖1 LED照明光效

1   LED接替

LED燈自20世紀60年代就出現(xiàn)了，但是直到20世紀90年代藍色LED的發(fā)明才使白色LED燈泡得以制造。從那時起，因其價格穩(wěn)步下降已成為許多市場上的主導(dǎo)技術(shù)，以與傳統(tǒng)燈泡競爭。

在全球住宅銷售中，在2018年[^[2]]LED也已超過日光燈，達到40%的市場份額。今天，1個LED燈泡可能會在許多國家零售2~5美元，在一些地區(qū)價格甚至更低。例如，在印度，政府通過對當?shù)刂圃焐虦p稅收和關(guān)稅，成功地推動了LED照明的采用。

與白熾燈泡相比，LED具有多種優(yōu)點：它們使用時間長得多，產(chǎn)生的熱量更少，功耗更少，從而降低了使用壽命成本，而且它們更低的耗電量使它們更環(huán)保。LED也比大多數(shù)日光燈使用的功率更小，并且具有在打開時立即達到全亮度的優(yōu)點。

2   更綠色

照明占全球用電量的很大一部分，據(jù)歐盟委員會[^[3]]估計約為15%。在美國，住宅和工業(yè)/商業(yè)領(lǐng)域的照明使用[[4]]總能源（不僅僅是電力）的7%。

隨著氣候危機的到來，我們需要減少照明的耗電量——而且需要大幅削減，以使簽署《巴黎協(xié)定》的國家能夠?qū)崿F(xiàn)其溫室氣體減排目標。

LED可以幫助實現(xiàn)這一點：住宅LED燈通常為其消耗的每瓦特提供超過90流明的照明能效(lm/W)，而供應(yīng)商聲稱一些新型號[[5]]為200 lm/W或更多。相比之下，傳統(tǒng)燈泡可能會達到15 lm/W，鹵素?zé)?5 lm/W，“節(jié)能”日光燈通常在55~60 lm/W左右。

對于企業(yè)來說，選擇的燈源通常是日光燈，相對能效在100 lm/W左右。但它所產(chǎn)生的光的質(zhì)量是刺眼的，LED產(chǎn)生的更暖的光通常是大多數(shù)人的首選——更新的LED以日光燈一半的電力提供相同數(shù)量的光，這是雙贏的。

較低的電力消耗也創(chuàng)造了新的機會，使以前沒有的電燈成為可能——特別是沒有主電網(wǎng)的太陽能電燈。例如，2010—2017年間，部署了1.3億盞太陽能燈，主要在非洲和亞洲。日落后有干凈、安全的照明，這可以大大提高人們的生活質(zhì)量，及孩子能在家學(xué)習(xí)。

政府法規(guī)加快了在某些地區(qū)轉(zhuǎn)向LED。例如，在歐盟，對于LED燈有最低能效標準，不再允許出售其他能效較低的燈。

3   推動高能效

對于住宅和商業(yè)照明，我們需要為我們的LED供電高壓交流電 (AC) 電源。但是LED需要更低的電壓和直流電 (DC) 。為了在恰當?shù)碾妷合聦⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電，我們需要適當?shù)尿?qū)動器和其他電源管理器件-這些不可避免地帶來了一些低能效，我們顯然希望將其對能效的影響最小化。

根據(jù)電流和顏色的不同，LED的正向電壓可能從小于2 V到4.5 V不等。像安森美半導(dǎo)體這樣的公司一直是LED采用的推動者，通過利用他們在電源管理的專知來開發(fā)所需的器件以可靠和高效地驅(qū)動LED。

例如，安森美半導(dǎo)體的NCL30082是個LED驅(qū)動器(如圖2)，設(shè)計用于采用交流輸入電源。它包括一個提供高能效的脈寬調(diào)制 (PWM) 電流模式控制器，一種減少所需的外部器件數(shù)的新的控制方法。該驅(qū)動器還支持LED調(diào)光。安森美半導(dǎo)體也提供輸入橋整流器和超結(jié)MOSFET，完善電源轉(zhuǎn)換電路，以驅(qū)動LED。

圖2 NCL30082內(nèi)部電路架構(gòu)

同LED驅(qū)動器一樣，照明應(yīng)用需要其他器件來創(chuàng)建一個完整的系統(tǒng)。這包括傳感器，如檢測環(huán)境光水平，以便LED亮度可以自動調(diào)整，或檢測到在辦公室有人時開燈。

有些應(yīng)用中需要的另一個器件是LED旁路分流器，如安森美半導(dǎo)體的NUD4700。這確保了如果一個LED失敗，分流可使電流在失效的LED周圍流過，使LED串的其余部分保持點亮（如圖3）。

圖3 LED旁路分流最大程度地減小失效LED的影響

4 展望未來：照明變得更智能

“智能”或“聯(lián)接”照明是又一個增長趨勢，這不僅是因為它為LED燈具供應(yīng)商提供了一個機會來區(qū)分他們的產(chǎn)品，并增加利潤率。更重要的是，它可以通過自動化和用戶控制而不僅僅是使用LED來進一步節(jié)省電力，例如，在一天中的特定時間自動調(diào)整照明條件，如在周末關(guān)閉辦公室燈。

燈具可以使用電力線聯(lián)網(wǎng)控制，如行業(yè)標準的KNX^?網(wǎng)絡(luò)，或無線技術(shù)，如Zigbee^?技術(shù)和藍牙^?技術(shù)。隨著LED本身價格的下降，這些聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成本近年來急劇下降，因此智能LED燈泡對于住宅使用變得越來越負擔(dān)得起。

互聯(lián)照明現(xiàn)已成為智能家居和樓宇領(lǐng)域中增長潛力最大的領(lǐng)域。隨著越來越多的消費者開始在自己的房屋中添加智能家居技術(shù)，包括語音控制助手如Amazon^?Alexa^?語音控制助手，智能照明市場在未來幾年可能會快速增長。LED可以調(diào)光并且顏色可以變化，從而實現(xiàn)家庭照明的新發(fā)展，使其能對環(huán)境光、一天中的時間、甚至電視輸出作出響應(yīng)。安森美半導(dǎo)體的 互聯(lián)照明平臺 是個模塊化套件，讓工程師能測試配有藍牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)或其他無線技術(shù)的各種LED電源方案。

盡管LED技術(shù)已取得很大進展，但預(yù)計在未來幾年內(nèi)將進一步降低功耗，規(guī)模經(jīng)濟將繼續(xù)推動價格下降。

安森美半導(dǎo)體等供應(yīng)商一直致力提高住宅、商業(yè)和汽車應(yīng)用中LED照明所需的電子產(chǎn)品的能效和性能。無論用于什么用途，LED照明的創(chuàng)新都說明未來是光明的。