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LED光源照明技術(shù)及在燈光環(huán)境中的應(yīng)用
日期:2024-08-18 11:38
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摘要:
LED光源照明技術(shù)及在燈光環(huán)境中的應(yīng)用
LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用,是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物。“綠色照明”是國外照明領(lǐng)域在上世紀80年代末提出的新概念,我國“綠色照明工程”的實施始于1996年。實現(xiàn)這一計劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具,節(jié)約照明用電,減少環(huán)境及光污染,建立一個上等高效、經(jīng)濟舒適、**可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。
一、LED照明概念
LED又稱發(fā)光二極管,它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合,放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。
(一)LED的發(fā)展歷史
應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光源原理制成LED問世于20世紀60年代初,1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管,之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年藍色、綠色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司(日亞)成功開發(fā)出白色LED。LED以其固有的特點,如省電、壽命長、耐震動,響應(yīng)速度快、冷光源等特點,廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域,在我們的日常生活中處處可見,家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制,無法作為通用光源推廣應(yīng)用。
近幾年來,隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入,LED制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發(fā)和應(yīng)用,各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展,其發(fā)光效率提高了近1000倍,色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色,其中*重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn),使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經(jīng)有人指出,高亮度LED將是人類繼愛迪**明白熾燈泡后,*偉大的發(fā)明之一。
(二)LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體--晶片的面積為10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前國際上出現(xiàn)大晶片LED,晶片面積達40mil。
其發(fā)光過程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中,當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時,帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合,電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng),可見光的頻譜范圍內(nèi),藍色光、紫色光攜帶的能量*多,桔色光、紅色光攜帶的能量*少。由于不同的材料具有不同的帶隙,從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前,已商品化的白光LED多是二波長,即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED,即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光,它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場。
(三)LED光源的基本特征
1、發(fā)光效率高
LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良,其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦,熒光燈50~70流明/瓦,鈉燈90~140流明/瓦,大部分的耗電變 成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達到達50~200流明/瓦,而且其光的單色性好、光譜窄,無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前,世界各國均加緊提高LED光效方面的研究,在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。
2、耗電量少
LED單管功率0.03~0.06瓦,采用直流驅(qū)動,單管驅(qū)動電壓1.5~3.5伏,電流15~18毫安,反應(yīng)速度快,可在高頻操作。同樣照明效果的情況下,耗電量是白熾燈泡的八分之一,熒光燈管的二分之一、日本估計,如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當(dāng)于60億升原油。就橋梁護欄燈例,同樣效果的一支日光燈40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩變化。
3、使用壽命長
采用電子光場輻射發(fā)光,燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕,環(huán)氧樹脂封裝,可承受高強度機械沖擊和震動,不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5~10年,可以大大降低燈具的維護費用,避免經(jīng)常換燈之苦。
4、**可靠性強
發(fā)熱量低,無熱輻射,冷光源,可以**抵摸:能**控制光型及發(fā)光角度,光色柔和,無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強度,調(diào)整發(fā)光方式,實現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。
5、有利于環(huán)保
LED為全固體發(fā)光體,耐震、耐沖擊不易破碎,廢棄物可回收,沒有污染。光源體積小,可以隨意組合,易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品,也便于安裝和維護。
LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用,是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物。“綠色照明”是國外照明領(lǐng)域在上世紀80年代末提出的新概念,我國“綠色照明工程”的實施始于1996年。實現(xiàn)這一計劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具,節(jié)約照明用電,減少環(huán)境及光污染,建立一個上等高效、經(jīng)濟舒適、**可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。
一、LED照明概念
LED又稱發(fā)光二極管,它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,當(dāng)兩端加上正向電壓,半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合,放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。
(一)LED的發(fā)展歷史
應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光源原理制成LED問世于20世紀60年代初,1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管,之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年藍色、綠色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司(日亞)成功開發(fā)出白色LED。LED以其固有的特點,如省電、壽命長、耐震動,響應(yīng)速度快、冷光源等特點,廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域,在我們的日常生活中處處可見,家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制,無法作為通用光源推廣應(yīng)用。
近幾年來,隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入,LED制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發(fā)和應(yīng)用,各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展,其發(fā)光效率提高了近1000倍,色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色,其中*重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn),使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經(jīng)有人指出,高亮度LED將是人類繼愛迪**明白熾燈泡后,*偉大的發(fā)明之一。
(二)LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體--晶片的面積為10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前國際上出現(xiàn)大晶片LED,晶片面積達40mil。
其發(fā)光過程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中,當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時,帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合,電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng),可見光的頻譜范圍內(nèi),藍色光、紫色光攜帶的能量*多,桔色光、紅色光攜帶的能量*少。由于不同的材料具有不同的帶隙,從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前,已商品化的白光LED多是二波長,即以藍光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED,即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光,它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場。
(三)LED光源的基本特征
1、發(fā)光效率高
LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良,其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦,熒光燈50~70流明/瓦,鈉燈90~140流明/瓦,大部分的耗電變 成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達到達50~200流明/瓦,而且其光的單色性好、光譜窄,無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前,世界各國均加緊提高LED光效方面的研究,在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。
2、耗電量少
LED單管功率0.03~0.06瓦,采用直流驅(qū)動,單管驅(qū)動電壓1.5~3.5伏,電流15~18毫安,反應(yīng)速度快,可在高頻操作。同樣照明效果的情況下,耗電量是白熾燈泡的八分之一,熒光燈管的二分之一、日本估計,如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當(dāng)于60億升原油。就橋梁護欄燈例,同樣效果的一支日光燈40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩變化。
3、使用壽命長
采用電子光場輻射發(fā)光,燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕,環(huán)氧樹脂封裝,可承受高強度機械沖擊和震動,不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5~10年,可以大大降低燈具的維護費用,避免經(jīng)常換燈之苦。
4、**可靠性強
發(fā)熱量低,無熱輻射,冷光源,可以**抵摸:能**控制光型及發(fā)光角度,光色柔和,無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強度,調(diào)整發(fā)光方式,實現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。
5、有利于環(huán)保
LED為全固體發(fā)光體,耐震、耐沖擊不易破碎,廢棄物可回收,沒有污染。光源體積小,可以隨意組合,易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品,也便于安裝和維護。