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          LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用

          作者: 時間:2012-01-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          ,是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色”概念逐步深入人心的產(chǎn)物。“綠色”是國外照明在上世紀(jì)80年代未提出的新概念,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,建立一個優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/168675.htm

          一、照明概念(LightEmittingDiode),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)展歷史半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)原理制成LED問世于20世紀(jì)60年代初,1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管,之后出現(xiàn)$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、冷等特點,廣泛于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等,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,其中最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將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后,最偉大的發(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、紫色光攜帶的能量最多,桔色光、紅色光攜帶的能量最少。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$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萬分之一,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、安全可靠性強發(fā)熱量低,無熱輻射性,冷光源,可以安全抵摸:能精確控制光型及發(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。當(dāng)然,節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因,也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴,但是用一年時間的節(jié)能收回光源的投資,從而獲得4~9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。

          二、LED照明光源技術(shù)的應(yīng)用前景及趨勢長期以來,由于LED光效低的原因,其應(yīng)用主要集中在各種顯示領(lǐng)域。隨著超高亮度LED(特別是白光LED)的出現(xiàn),在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測,二十一世紀(jì)將進入以LED為代表的新型照明光源時代,被稱為第四代新光源。

          (一)前景及發(fā)展趨勢目前,照明消耗約占整個電力消耗的20%,大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑,為實現(xiàn)這一目標(biāo),業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具,并達到了一定的成效。但是,距離“綠色照明”的要求還遠遠不夠,開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對LED照明效益進行了預(yù)測,美國55%的白熾燈及55%的日光燈被LED取代,每年節(jié)省350億美元電費,每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%的白熾燈換成LED,可減少1~2座核電廠發(fā)電量,每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區(qū)25%的白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代,每年節(jié)省110億度電。日本早在1998年就編制“21世紀(jì)計劃”,針對新世紀(jì)照明用LED光源進行實用性研究。近年來,日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,專門開發(fā)白光LED,以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺灣目前的LED產(chǎn)量僅次于日本列在美國之前,從1998年開始投入6億臺幣進行相關(guān)開發(fā)工作。LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年,但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展,其發(fā)光效率的逐步提高,LED的應(yīng)用市場將更加廣泛,特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下,LED在照明市場的前景更備受全球矚目,被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場,也將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。

          (二)照明應(yīng)用中存在的主要技術(shù)問題近年來,LED的發(fā)光效率正在逐步提高,商品化的器件已達到白熾燈的水平,景觀燈采用的白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平,并在穩(wěn)步增長中。但是,在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題:一是光通量有待進一步提高。采用LED作為照明光源,必須可以發(fā)出更多的光,必須具有更高的能量效率。二是LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的$光的成分,給人一種溫暖的感覺。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍色光的成分,在這種光的照明下,人們的視覺不很自然。三是價格較高。這是影響LED照明普及的主要原因。但是,近年來出于晶片技術(shù)的改良,制造成本正在急劇下降,近三年來LED的價格下降了近50%,其正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展,這為LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利條件。此外,較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。

          三、LED照明技術(shù)在燈光環(huán)境中的應(yīng)用由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強,有利于環(huán)保等特性,近幾年來在城市燈光環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于數(shù)碼幻彩、護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。許多城市利用LED光源照明技術(shù)應(yīng)用于城市燈光環(huán)境建設(shè)中,產(chǎn)生了良好的效果,積累了豐富的經(jīng)驗。如廣州電力大廈、廣州鶴洞大橋、廣州工商行大廈、珠海迎賓南路燈光工程、東莞中心城區(qū)燈光工程、鄭州河南醫(yī)科大立交橋、上海延安路燈光工程、湖南常德市丹陽天橋、南通市通訊塔燈光工程等。

          隨著全國城市化的進一步發(fā)展,燈光環(huán)境(包括路燈、景觀燈、藝術(shù)燈等)建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U大,LED光源的應(yīng)用也將不斷發(fā)展。LED作為第四代新光源,在城市景觀燈建設(shè)領(lǐng)域中已得到了有效的應(yīng)用,但要在路燈建設(shè)和維護中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源,還需進一步的研究和探討,認(rèn)真解決LED光源在照明應(yīng)用中存在的技術(shù)問題,還需LED光源生產(chǎn)廠家結(jié)合路燈行業(yè)的實際情況,生產(chǎn)符合路燈建設(shè)和維修所需的新產(chǎn)品,使第四代新光源在城市照明建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。



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