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LED光源在照明领域的应用

发布来源:www.xyhlcd.com   发布时间:2010-1-9

LED光源在照明领域的应用,是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪80年代未提出的新概念,我国“绿色照明工程”的实施始于1996年。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具,节约照明用电,减少环境及光污染,建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统

一LED照明概念LED(LightEmittingDiode),又称发光二极管,它们利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

(一)LED的发展历史应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初,1964年首先出现红色发光二极管,之后出现$LED。直到1994年,蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司(日亚)成功开发出白色LED。LED以其固有的特点,如省电、寿命长、耐震动、响应速度快、冷光源等特点,广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域,在我们的日常生活中处处可见,家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制,无法作为通用光源推广应用。近年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率提高了近1000倍,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出现,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出,高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后,最伟大的发明之一。

(二)LED发光原理发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体—晶片的面积为10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前国际上出现大晶片LED,晶片面积达40mil。其发光过程包括三部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光。LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前,已商品化的白光LED多是二波长,即以蓝光单晶片加上YAG$荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED,即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光,它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。

(三)LED光源的基本特征

1、发光效率高LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50~200流明/瓦,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

2、耗电量少LED单管功率0.03~0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5~3.5伏,电流15~18毫安,反应速度快,可在高频操作。同样照明效果的情况下,耗电量是白炽灯泡的万分之一,荧光灯管的二分之一、日本估计,如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例,同样效果的一支日光灯40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩变化。

3、使用寿命长采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5~10年,可以大大降低灯具的维护费用,避免经常换灯之苦。

4、安全可靠性强发热量低,无热辐射性,冷光源,可以安全抵摸:能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。

5、有利于环保LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。当然,节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因,也许LED光源要比传统光源昂贵,但是用一年时间的节能收回光源的投资,从而获得4~9年中每年几倍的节能净收益期。

二、LED照明光源技术的应用前景及趋势长期以来,由于LED光效低的原因,其应用主要集中在各种显示领域。随着超高亮度LED(特别是白光LED)的出现,在照明领域的应用成为可能。据国际权威机构预测,二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代,被称为第四代新光源。

(一)前景及发展趋势目前,照明消耗约占整个电力消耗的20%,大大降低照明用电是节省能源的重要途径,为实现这一目标,业界已研究开发出许多种节能照明器具,并达到了一定的成效。但是,距离“绿色照明”的要求还远远不够,开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测,美国55%的白炽灯及55%的日光灯被LED取代,每年节省350亿美元电费,每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%的白炽灯换成LED,可减少1~2座核电厂发电量,每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区25%的白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代,每年节省110亿度电。日本早在1998年就编制“21世纪计划”,针对新世纪照明用LED光源进行实用性研究。近年来,日本日亚化工、丰田合成、SONY、佳友电工等都已有LED照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入大量的人力物力进行LED照明产品的研究开发和生产。美国GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,专门开发白光LED,以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统。台湾目前的LED产量仅次于日本列在美国之前,从1998年开始投入6亿台币进行相关开发工作。LED发展历史已经几十年,但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展,其发光效率的逐步提高,LED的应用市场将更加广泛,特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,LED在照明市场的前景更备受全球瞩目,被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场,也将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

(二)照明应用中存在的主要技术问题近年来,LED的发光效率正在逐步提高,商品化的器件已达到白炽灯的水平,景观灯采用的白色LED发光效率接近荧光灯的水平,并在稳步增长中。但是,在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题:一是光通量有待进一步提高。采用LED作为照明光源,必须可以发出更多的光,必须具有更高的能量效率。二是LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的$光的成分,给人一种温暖的感觉。而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分,在这种光的照明下,人们的视觉不很自然。三是价格较高。这是影响LED照明普及的主要原因。但是,近年来出于晶片技术的改良,制造成本正在急剧下降,近三年来LED的价格下降了近50%,其正朝着高效率、低成本的方向发展,这为LED在照明领域的应用提供了有利条件。此外,较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。

三、LED照明技术在灯光环境中的应用由于LED光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强,有利于环保等特性,近几年来在城市灯光环境中得到了广泛的应用。目前已应用于数码幻彩、护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。许多城市利用LED光源照明技术应用于城市灯光环境建设中,产生了良好的效果,积累了丰富的经验。如广州电力大厦、广州鹤洞大桥、广州工商行大厦、珠海迎宾南路灯光工程、东莞中心城区灯光工程、郑州河南医科大立交桥、上海延安路灯光工程、湖南常德市丹阳天桥、南通市通讯塔灯光工程等。

随着全国城市化的进一步发展,灯光环境(包括路灯、景观灯、艺术灯等)建设领域将不断扩大,LED光源的应用也将不断发展。LED作为第四代新光源,在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用,但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源,还需进一步的研究和探讨,认真解决LED光源在照明应用中存在的技术问题,还需LED光源生产厂家结合路灯行业的实际情况,生产符合路灯建设和维修所需的新产品,使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用。

 

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