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LED照明
阅读:483时间:2018-05-07 10:39:57

LED照明又称发光二极管照明是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

目录

简介

  照明原理
  LED照明的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
  理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)
  式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。随着LED照明行业的技术提升,LED的发光效率正在逐步提高,成本相应降低。从发光效率的提升来看,LED光源进入室外照明的光效门槛需达100流明/瓦,显色指数达到65以上;室内照明需80流明/瓦,显色指数达到80以上。各大LED芯片厂商均致力于光效的提升,例如Nichia公司于2009年2月发表了代表业内最高光效的小功率白光LED,光效达249流明/瓦;美国Cree公司于2010年发布了光效达208流明/瓦的大功率白光LED。截至2010年上半年,Cree公司量产的大功率LED最高光效可达到132流明/瓦。
  LED照明需求从去年开始见到明显成长,渗透率正式跨入双位数(10%以上),显示替换需求开始发动,当多数LED厂在抢攻产业接下来的黄金3年成长期时,国际厂已经为2017年后的市场作准备。
  晶电董事长李秉杰说,智慧照明系统将是2017年后决战市场的关键,公司耕耘多年的虚拟垂直整合模式将于该项发展上见到真正效益;而飞利浦更是早已强调其系提供照明系统解决方案服务业者,提前卡位智慧照明市场。
  李秉杰于日前LED展上受访表示,当LED照明渗透率从10%开始大幅成长时,该市场就进入S曲线的快速成长期,从今年起算,估计LED产业将进入照明的黄金3年成长期。
  李秉杰认为,带动LED照明渗透率快速拉升的关键在于替换需求效应,但到2017~2018年后,替换需求接近尾声,市场开始进入S曲线后段,成长幅度将会明显趋缓,届时智慧照明系统的布局将成为决战LED照明市场关键。
  从飞利浦推出的照明系统解决方案来看,除LED光源外,其实控制、侦测都扮演十分重要的角色,而此将考验各厂整合与组织的能力。李秉杰说,公司很早就在为2017年后的市场发展做准备,耕耘已久的虚拟垂直整合模式将于此发展上见到真正效益,未来也将结合台厂于无线技术的实力,期盼能够在台湾组成联盟,一同进军智慧照明市场。
  照明特性
  极限参数的意义
  (1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。
  (2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
  (3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。
  (4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管不能正常工作,效率大大降低。
  不改变材质的前提下,在LED的极限范围内,提高亮度的手段就是提高电流,随着电流升高,LED发热量会剧增。使用过LED光源便携投影机的,或微投的朋友,一定都深有体会,LED光源的投影机,非常热,而且普遍会有明显的噪音。这些产品,机身小是一方面,关键还是其自身发热量较大所致。
  随着功率的增加,LED的散热问题显得越来越突出,大量实际应用表明,LED不能加大输入功率的基本原因,是由于LED在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,热阻变大。输入功率越高,发热效应越大。温度的升高会导致器件性能变化与衰减,非辐射复合增加,器件的漏电流增加,半导体材料缺陷增长,金属电极电迁移,封装用环氧树脂黄化等等,严重影响LED的光电参数。甚至使功率LED失效。因此,对于LED器件,降低热阻与结温、对发光二极管的热特性进行研究显得日趋重要。
  LED照明系统的可靠性
  LED驱动电源寿数偏低的一个重要原因是驱动电源所需的铝电解电容的寿数缺乏,首要原因是长时间作业时LED灯内部的环境温度很高,致使铝电解电容的电解液很快被耗干,寿数大为缩短,通常只能作业5千小时左右。而LED光源的寿数是5万小时,因而铝电解电容的作业寿数就成为了LED驱动电源寿数的短肋。
  如今有些供货商为了处理这个难题,创造了无铝电解电容的LED驱动电源计划。但并不是所有的LED驱动电源供货商都拥护这种做法。陈嵘指出:“当前量产的LED驱动电源中没有一款是选用了无电解电容的驱动计划,由于没有它的话,许多试验规范通不过,如EMI测验和无闪烁测验。”
  而选用铝电解电容的LED驱动电源计划很简单通常以上测验,pcb抄板若是换成薄膜电容和陶瓷电容或钽电容,情况如何呢?薄膜电容要到达一样的电容量(通常为100-220uF),体积就会很大,并且本钱也太高,陶瓷电容通常容量太小,如用多个陶瓷电容完成这么大的容量,占板面积和本钱都太大,钽电容要具有这么大容量,一是太贵,而是耐压太低达不到需求,因而换成其它任何品种的电容,基本上不是体积太大,就是太贵,如为了这些缺陷换成容量较小的电容,消除纹波的作用就没有那么好,许多出口产品所需的严厉认证测验目标就无法经过,因而当前高质量的LED驱动电源仍是遍及选用铝电解电容。
  许多供货商声称的无电解电容LED驱动电源计划,很可能仅仅去掉了AC输入端的铝电解电容,恒流输出端的铝电解电容应该是很难去掉或代替的。
  NXP推了一款可TRIAC调光的内嵌了驱动电源的13WLED灯泡,这款根据SSL2102的驱动电源计划选用了铝电解电容。当笔者问及该灯泡的作业寿数时,铝电解电容的作业寿数难题肯定会影响到整个LED灯泡的寿数,但能够采纳一些物理方法来减轻这个难题,如把铝电解电容在PCB上方位接近灯尾,通常来说,最接近LED光源有些的温度最高,可到达100-200℃,散热金属外壳有些其次,通常为100℃左右,灯尾有些最低,通常为70℃左右,因而只需注重把铝电解电容的方位接近灯尾,其寿数就不会衰减得太凶猛。咱们的试验标明,它的寿数还可到达1万小时左右,相当于10年使用时间,这关于通常家庭用户来说,十年换一次LED灯泡基本上是能够承受的。
  绿色环保
  不含汞、铅等对环境污染很大的重金属,发光时会产生紫外线,因此LED照明不会象传统的灯具那样有很多蚊虫围绕在光源旁使环境变得更加干净卫整洁;金属壳恒流驱动的创新设计使产品电能转换成光效率非常高。
  独特优势
  (一)节约能源:LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80―90%。笔者还把LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做了一番比较,结果显示:普通白炽灯的光效为12lm/w,寿命小于2000小时,螺旋节能灯的光效为60lm/w,寿命小于8000小时,T5荧光灯则为96Alm/w,寿命大约为10000小时,而直径为5毫米的白光LED为20―28lm/w,寿命可大于100000小时。有人还预测,未来的LED寿命上限会无穷大。
  一般人都认为,节能灯可节能4/5是伟大的创举,但LED比节能灯还要节能1/4,这是固体光源更伟大的改革。除此之外,LED还具有其他优势,光线质量高,基本上无辐射,属于典型的绿色照明光源;可靠耐用,维护费用极为低廉等等。正因为LED具有以上其他固体光源还无法匹敌的特点,10年后LED会是照明行业的主流光源。
  (二)安全环保:LED的工作电压低,多为1.4―3V;普通LED工作电流仅为10mA,超高亮度的也不过1A。LED在生产过程中不要添加“汞”,也不需要充气,不需要玻璃外壳,抗冲击性好,抗震性好,不易破碎,便于运输,非常环保,被称为”绿色能源”。
  (三)使用寿命长:LED体积小、重量轻,外壳为环氧树脂封装,不仅可以保护内部芯片,还具有透光聚光的能力。LED使用寿命普遍在5万―10万小时之间,因为LED是半导体器件,即使是频繁的开关,也不会影响到使用寿命。目前家用照明主要使用的是白炽灯、荧光灯及节能荧光灯。
  (四)响应速度快:LED的响应频率fτ与注入少数载流子的寿命τmc有关,如GaAs材料制成的LED,其τmc一般在1―10ns范围内,则响应频率约为16―160MHz,这样高的响应频率对于显示6.5MHz的视频信号来说已经足够了,这也是实现视频LED大屏幕的关键因素之一。
  目前,LED响应时间最低的已达1微秒,一般的多为几个毫秒,约为普通光源响应时间的1/100。因此可用于很多高频环境,如汽车刹车灯或状态灯,可以缩短车后车辆的刹车时间,从而提高安全性。
  (五)发光效率高:白炽灯、卤钨灯的光效为12-24lm/w(流明/瓦),荧光灯的光效为50―70lm/w,钠灯的光效为90―140lm/w,大部分的耗电变成热量损耗。而LED的光效经改善后可达到50―200lm/w,且光的单色性好、光谱窄,无需过滤就可直接发出有色可见光。
  (六)LED元件的体积小:更加便于各种设备的布置和设计,而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
  (七)LED光线能量集中度高:集中在较小的波长窗口内,纯度高。
  (八)LED发光指向性强:亮度衰减比传统光源低很多。
  (九)LED低压直流电即可驱动:具有负载小、干扰弱的优点,对使用环境要求较低。
  (十)可较好控制发光光谱组成:从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
  (十一)可控制半导体发光层、半导体材料禁止带幅的大小:从而发出各种颜色的光线,且彩度更高。
  (十二)显色性高:不会对人的眼睛造成伤害。
  照明规范
  随着LED陆续导入室内、室外照明市场,LED照明价格也大幅下降,但品质参差不齐也导致问题丛生,据指出,各地陆续订定LED照明规范,多项强制性照明标准会从2012年起上路,会可望加速淘汰劣质品的恶性竞争,进而带动LED照明市场洗牌效应。
  由于LED照明应用日趋普遍及多元,台湾经济部标准局陆续制定多项LED照明标准,继LED路灯规范制定脚步领先世界各国公布,2010年底又颁布3项常见LED室内灯标准,包括LEDT8直管灯管、LED投光灯以及轻钢架灯(含平板灯)等,业界指出,尽管相关标准规范已定,但LED路灯经过多年推广,到2012年才可望扩大安装,由于政府导入缓慢加上预算编列作业,估计要到2013~2014年才可望释出采购标案。
  尽管大陆LED产业发展如火如荼,但由于各地区气候环境差异过大,因此产业标准尚未进入国家标准项目,由各省份各自主导推动地区性LED照明标准建立,不过据指出,大陆发改委会通过LED照明的技术规范,以室内LED筒灯为优先项目,预料在技术规范定案后,2012年在大陆十二五规划推动下,中央公布LED室内照明的补助财政方案会可望扩大实施。
  至于LED照明产品输入欧盟必须通过CE认证,而考量电磁辐射对?H体可能会造成危害,欧盟也宣布于2013年起,强制执行人体电磁辐射安全规范标准。
  随着美国环保署于2011年10月公布新版固态照明灯具及光源产品上市规范,业界指出,备受关注的LM-80的光衰测试,预计会从2012年4月起强制实施,在新规范上路后,未来北美市场灯具厂商会优先采购通过LM-80验证的LED产品,对于未受验证的台湾LED封装及晶粒厂,日后进军美国市场恐会遭受阻碍。
  由于LM-80的光衰验证需经过6,000小时测试,耗时长达6~8个月,部分LED业界认为,LED产品规格及技术日新月异,在经过长达数个月后,LED照明验证标准可能又会改变,故对此认证仍抱持存疑,不过工研=表示,LM-80被视为进入美国市场的入场券,厂商必须出具LM-80(LED流明维持率)试验的报告证书,才能取得能源之星标章,北美照明工程学会(IES)也已订出LM-80的光衰减检测标准,不仅为LED应用产品提供量测标准,也为消费者提供品质保证,会成为全球共通的检测标准。

白炽灯

  进步
  众所周知,白炽灯是爱迪生的重要发明,这个重要的发明使人类从此告别了黑暗,迎来了光明.但是白炽灯太耗电了,它大概只有不到十分之一的能量才变成了光能,其它都是热能白白的被浪费掉了。所以人们都在想办法要用新的光源来替代白炽灯、节能灯就应运而生了。由于它相比而言便宜又好制作、所以就得到了大量的应用,有逐步取代白炽灯的趋势.
  原理
  节能灯的两极是普通的钨丝.钨丝通电发热后,就能发射出电子.在灯管两侧加上比较高的电压,形成电场,这些电子就会在灯管里被加速,形成有一定速度和能量的电子流.灯管是被抽成真空的、里面充有汞、就是我们称为的水银。
  在灯管通电发热的情况下,这些水银从液态蒸发就变成了气态.形成游离状态的汞原子。电子流中的电子以一定速度打在汞原子上,使汞原子受到激发,变成激发状态的电离子.称为发生了阶跃、激发状态的汞过了很短的时间就自发地回落到原来的状态,同时释放出紫外线光、紫外线光不能用来照明.于是我们在灯管的内壁涂了一些荧光物质,在紫外线光的轰击下,荧光物质受到激发以后,就能发出比较自然的光线,可用于我们照明。
  市面上较常见的节能灯管有一般的普通灯管及渐为主流的三基色灯管、和白炽灯泡相比都有省电的优点。所不同的是普通灯管的显色性偏低、而三基色的灯管则呈现出自然的阳光色、并且在显色性及光效率上都更胜过一般的普通灯管。从上面我们就可以知道、汞在节能灯管中是起中介作用的、没有汞、节能灯就不会发光。每支灯管里的汞是很少的。
  汞进入人体后很难被排除。笔者工厂的工人有十多年没有接触汞了,但检查身体汞的含量仍然很高、而且随时都还在打排汞针。所以笔者对节能灯有种本能的恐惧。其实含汞照明灯在使用过程中一般没有什么污染、污染主要是报废后电光源被随意丢弃、破裂造成汞扩散到空气中、危害人体健康、污染环境。由于回收困难和回收价值太低、加之它还有许多的其它弊病、所以唯一的办法就是淘汰它。
  所以为了克服节能灯以上的缺点、LED照明应运而生。LED灯杯、射灯等成为室内照明的主流、也会取代节能灯、成为下一代家庭照明的主流产品。
  缺点
  1、生产过程中和使用废弃后有汞污染,西方国家对汞污染是相当的重视.国人也越来越认识到了汞污染的危害性.
  2、由于是玻璃制品,易破碎,不好运输,不好安装.
  3、其耗电量对比LED灯还是偏大了些.
  4、容易损坏,寿命短,节能不省钱、这句话就是它的最好写照.
  优点
  1、节能:白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10、节能灯的1/4.
  2、长寿:一个LED灯杯的寿命可达5万小时以上,对普通家庭照明来说可谓一劳永逸。
  3、可以工作在高速状态:节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉。
  4、固态封装、属于冷光源类型。所以它很方便运输和安装、可以被装置在任何微型和封闭的设备中、不怕振动。
  5、LED技术正日新月异的在进步、它的发光效率正在取得惊人的突破、价格也在不断的降低。一个白光LED进入家庭的时代正在迅速到来。据“CPL灯杯”的工程部刘总介绍、未来的照明发展趋势必会是LED灯杯等室内照明产品淘汰节能灯的使用。
  6、环保、没有汞的有害物质。
  7、对人身无辐射作用.
  优势
  应用于传统商业照明的灯饰包括白炽灯、节能灯、金卤灯等、相比这些传统灯饰、白光LED具有5大优势:
  1、节能、LED商业照明一般只有1到10W、在亮度与传统商照相差不多的情况下、耗电少;
  2、环保、LED为可回收光源、而节能灯、卤钨灯等都含有污染环境的金属元素(如汞)、回收成为一大难题;
  3、安全、LED光源发热不高;
  4、寿命长、理论上LED光衰可以减到70%的标称寿命10万小时、减少了更换频率和其他维护工作;
  5、光效好、颜色变化多、1W的LED灯珠一般能达到90-100流明、相当于一般光源5-6倍的光效。

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