一、LED照明
LED(Lighy?Emitting?Diode),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P·N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,之后出现黄色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。
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。
近几年来,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*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**明白炽灯泡后,*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10.12ml(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*多,桔色光、红色光携带的能量*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黄色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八分之一,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、**可靠性强
发热量低,无热辐射,冷光源,可以**抵摸:能**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*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、**、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%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%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%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。世界有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*被看好的市场以及*大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的*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:?
1.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。
2.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黄色光的成分,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。
3.是价格较高。这是影响LED防爆灯普及的主要原因。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。"