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LED照明--学习专业知识

发布时间:2014-10-07 浏览:1051次 发布:中国照明灯具网

    LEDLightingEmittingDiode)照明即是发光二极管照明,是一种半导体固体发光器件。它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。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

 

LED照明原理:

 

  传奇光电的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-N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。

 

LED水底灯

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禁带宽度Eg有关,即 λ≈1240/Egmm

  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3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、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。

LED照明的特性

  1.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,发光二极管将不能正常工作,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。温度的升高将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。

发展现状:

  当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,节约能源是我们未来面临的重要的问题,在照明领域,LED发光产品的应用正吸引着世人的目光,LED作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势,二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

  中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链,中国发展得比较快的LED企业很多:雷士照明、长方照明、华威凯德。在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

  目前,中国半导体照明产业发展向好,外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元,已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国,新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色,其中户外照明发展最快,已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路,但在室内通用照明市场方面仍显落后。

  2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识,有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业产业大而不强,核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言,壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务,提高未来取得大厂专利授权时的要价能力,或逐步通过研发突破核心专利。

发展趋势:

  LED被称为第四代照明光源或绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于各

种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来,世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”,欧盟也在20007月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下,20036月份首次提出发展半导体照明计划。 多年来,LED照明以其节能、环保的优势,已受到国家和各级政府的重视,各地纷纷出台相关政策和举措加快LED灯具的发展;大众消费者也对这种环保新型的照明产品渴求已久。但是,由于投入在技术和推广上的成本居高不下,使得令万千消费者翘首以待的LED照明产品一直可望而不可及,迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱!

  随着国内部分厂家技术和生产成本的降低,LED照明叫好而不叫座的局面行将改变。价廉物美的LED照明产品,将给中国照明行业带来革命性的冲击,为广大消费者带来光明的福音!

  优点:

  高节能:节能能源无污染即为环保。直流驱动,超低功耗(单管0.03-0.06瓦)电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。

  寿命长:LED光源有人称它为长寿灯,意为永不熄灭的灯。固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。

  多变幻:LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生256×256×256=16777216种颜色,形成不同光色的组合变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

  利环保:环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

  高新尖:与传统光源单调的发光效果相比,LED光源是低压微电子产品,成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高新尖”技术,具有在线编程,无限升级,灵活多变的特点。

LED照明的设计理念

  LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路,目前有两种最新的设计理念。

  1.情景照明:是2008年由飞利浦提出的情景照明,以环境的需求来设计灯具。情景照明以场所为出发点,旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境,去烘托场景效果,使人感觉到有场景氛围。

  2.情调照明:是2009年由凯西欧提出的情调照明,以人的需求来设计灯具。情调照明是以人情感为出发点,从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明与情景照明有所不同,情调照明是动态的,可以满足人的精神需求的照明方式,使人感到有情调;而情景照明是静态的,它只能强调场景光照的需求,而不能表达人的情绪,从某种意义上说,情调照明涵盖情景照明。情调照明包含四个方面:一是环保节能,二是健康,三是智能化,四是人性化。

  凯西欧公司总经理吴育林先生编著了一本“情调照明书”,是中国第一本引领LED照明设计潮流的书籍,打破了设计理论长期被国外巨头垄断的局面,

    使LED的应用更加容易为市场所需要。将最新的情调照明设计理念贡献出来与大家分享,借此希望更多专家学者、设计师参与讨论和提出建义。

    国内LED室内照明市场成长曲线  随着半导体照明技术的进步,LED照明产品已开始进入室内照明领域。LED照明被认为是未来照明的发展趋势,而室内照明巨大的市场也时刻牵动着业界的心。发展是一个过程,LED大规模入主室内照明市场还有多远?将经历一个怎样的阶段?企业应当如何发展?本刊与多位业内人士沟通,希望能大致描绘出国内LED室内照明市场的成长曲线,为业界提供参考。 2020LED室内照明产品市场占有率或可达到50%

  对于受多种因素影响,同时快速发展中的国内LED室内照明市场,很难准确预测其产品的市场占有率,采访中很多人认为至2012LED室内照明的市场占有率或可达到10%,2015年或可达到30%,而至2020年则或可达到50%.不过,中国半导体照明网针对LED照明普及时间进程的调查结果显示,也有很多人持相对乐观的态度。欧司朗相关人士认为2020LED室内照明的市场占有率或可达到50%,而且由于LED的设计空间巨大,除照明市场规模不断扩大外,也将带动相关市场的发展,整体市场规模巨大。

  尽管目前已可以看到多种室内照明产品,但在业界很多人看来,作为一种新型光源,目前国内的LED室内照明市场还刚刚起步,无论是LED室内照明产品本身还是相关的技术、规范、标准、消费者的观念都需要一定的时间去发展,目前LED室内照明的工艺、产品等都还不够成熟,还不适宜大规模推广。

  而对于国内LED室内照明的发展阶段,四川新力光源有限公司常务副总裁张立认为,目前LED室内照明尚处于技术准备阶段,这一阶段或将持续两到三年。之后随着消费者对LED照明产品认知度的提高,规范、标准体系的建立、生产工艺的成熟等会进入产品相对成熟的初级推广阶段。而2015年后随着世界经济的恢复,消费者经济承受力的提高,同时受能源紧缺、电价提高等影响,可以预期LED室内照明产品的推广会比较快。’至2025LED室内照明产品的市场占有率有可能达到70%~80%’张立说。

  2014年以后LED灯泡商机爆发势头将相当强

  目前国内LED的室内照明主要集中在装饰照明,比如一些娱乐场所、商业照明和公共照明比如地下停车场、星级宾馆走廊等,尚未真正进入市场巨大的普通家用照明。主要室内照明产品有商业日光灯、筒灯、射灯、替代白炽灯的球泡灯、冰柜灯等。工业和信息化部半导体照明技术标准工作组副组长彭万华指出,根据国外一些国家发展LED室内照明的计划,预计从2010-2012年主推商业照明,而从2012-2015年将主推普通照明,即普通家用照明。从技术的角度,目前光的质量,比如光色等方面还不是很好,而家用照明对光的要求很高,因此最近几年不宜提倡住宅照明。

  作为未来照明的发展趋势,LED大规模进入室内照明的进程是怎样的?在当前众多LED室内照明产品中,LED灯泡是重要形式之一。根据拓产业研究所对全球照明灯泡市场的相关研究,灯泡市场短期内至少到2017年以前,都是传统光源,白炽灯、荧光灯以及新光源如LED灯泡等共同主导市场。LED灯泡仍需历经一段时间代换各种主流的传统及节能光源,目前LED灯泡仍处在市场导入阶段。

  预计2014年以后LED灯泡商机爆发性将相当强劲,在2018年以后需求将大幅度领先荧光灯等光源。

  总体来看,可将LED灯泡在照明市场的成长大致分为三个阶段:2012年以前白炽灯、荧光灯及节能灯将是灯泡照明的主要光源,而LED价格偏高,处于示范阶段,主要是替换白炽灯。2012-2014年,随着全球白炽灯禁产禁用政策的依序落实,使得白炽灯在2012年后在市场上将逐渐消失。此阶段,节能灯市场预计开始进入成长高峰期,将占据照明市场主要份额。但预计至2014LED灯泡将大幅替换白炽灯、荧光灯等进入成熟时期。与此同时,LED灯泡的成本正不断下降,随着近年投入LED的厂家不断增多,其价格下滑速度将会更快,LED市场的爆发也有可能会提前1~2年。

  LED室内照明市场的前景毋庸置疑,面对今后的市场,国内企业应如何行动以待时机?’目前应加强专利、技术攻关,也要进行一定的宣传,提高消费者对LED的认识。同时也应推进标准化、规范化,最终让消费者能在20~50个标准产品之间进行选择,而不是在上千种标准产品之间选择,否则消费者会无法找到替换的产品很麻烦。’张立如是说。而雷士照明上海研发中心总经理周详表示,就企业来说,企业应该加强自身的研发力度,掌握更多具有核心竞争力的技术。其次要真正静下心来做好产品。。

照明电源和驱动方案:

  驱动方案一般来说有两种线性驱动和开关型驱动。

   线性驱动应用是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。在照明级白光LED应用中,虽然存在着效率低、调节性差等问题,但是由于其电路简单、体积小巧,能满足一些特定的场合应用较多。

  开关型驱动可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率,应用方式主要分为降压式和升压式两大类。降压式开关驱动是针对电源电压高于LED的端电压或者是多个LED采用并联驱动情况下的应用。升压式开关驱动是针对电源电压低于LED的端电压或者是多个LED采用串联驱动情况下的应用。

  一般认为,隔离型驱动安全但效率较低,非隔离型驱动效率较高,应按实际使用的要求来选。

  目前设计一般的基本LED驱动器照明应用相对较简单,但是如果还需要其它功能如相位控制调光和功率因子校正(PFC),设计就变得复杂。无功率因子校正功能的非调光LED驱动器通常包含一个离线式开关电源,用于恒定电流下调节输出。

  LED驱动器的后端架构包含一个具有短路保护功能的电流调节电路。可以利用线性调节电路达到这一目的,然而这种方法本身效率低下,因此适用低输出电流,通常不会应用到多级架构中去。替代方法是使用简单的、具有电流回馈功能的降压稳压器电路,以便限制了输出电流超过期望的LED驱动电流。其抵消了总LED正向电压随温度和器件容差的变化,还限制了出现短路或其它故障条件时的电流,从而能够保护驱动器免遭损坏。

术语:

  波长:光的色彩强弱变化,是可以通过数据来描述,这种数据叫波长。我们能见到的光的波长,范围在380780nm之间。单位:纳米(nm

  亮度:亮度是指物体明暗的程度,定义是单位面积的发光强度。单位:尼特(nit

  光强:指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。 单位:烛光(cd

  光通量:光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位:流明(Lm

  光效:光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位:每瓦流明(Lm/w)。

  显色性:光源对物体呈现的程度,也就是颜色的逼真程度。通常叫做"显色指数",室内显色性通常表示为Ra,以数值表示。Ra100为日光下的显色性。

  色温:光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。(只有白光才有色温) 单位:开尔文(k)。

  眩光:视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比,所造成的视觉不舒适称为眩光,眩光是影响照明质量的重要因素。

  同步性:两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行,一般指内控方式的LED灯,同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。

  防护等级:IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级,由两个数字所组

 

成,第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵入的等级(分0-6级),第二个数字代表灯具防湿气、防水侵入的密封程度(分0-8级),数字越大表示其防护等级越高。

  光周期:自然界或人造的能够影响生物有机体的亮暗循环。; T/ i" S5 s; ]8 z

  光度测量:根据给定的光效函数,如V(λ)V(λ),测量辐射量的方法。7 G% u9 g+ t1 P/ x* S 光强分布:光源或者灯具在空间各个方向的光强分布。6 e5 p. t% s: \5 }- U 

  光强曲线图(表):光强由极坐标或者图表给出,表中的数值为光源在每1000流明光通时产生的光强。对于光强非对称分布的情况,可采用两个不同平面内的光强分布图来表示该灯具的光强分布情况。 适用范围:  LED照明灯具里,底灯,吊灯,投射灯等装饰用,反射用途的LED照明灯具可以完全胜任于任何场合,包括美术馆,博物馆等对颜色度要求较高的场所。但是对于商场,写字楼等大规模设施来说,作为大范围照明的LED灯具虽然已经诞生,但是其指向性(LED芯片发出的光是直线,发散性不好)太高,造成大面积内设计平均的照度很困难。灯管型LED照明灯具排列过密,设计成本过高,失去节能效果。因此,现阶段装饰用途场合,LED照明灯具完全可用,大面积室内照明还不成熟。

应用领域

  1)、信号指示应用:信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域,约占LED应用市场的4%左右。

  2)、显示应用:指示牌、广告牌、大屏幕显示等,LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%25%,显示屏幕可分为单色和彩色。

  3)、照明应用:

  ①便携灯具:手电筒、头灯、矿工灯、潜水灯等;

  ②汽车用灯:高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯等,大功率的LED已被大量用于汽车照明中。

  ③特殊照明:太阳能庭院灯、太阳能路灯、水底灯等;由于LED尺寸小,便于动态的亮度和颜色控制,因此比较适合用于建筑装饰照明。

  ④背光照明:普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD显示器背光源等,LED作为手机显示的背光源是LED应用最广泛的领域。

  ⑤投影光源:投影仪用RGB光源;

  ⑥普通照明:各类通用照明灯具、照明光源等;

  驱动方案一般来说有两种线性驱动和开关型驱动。

  线性驱动应用是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。在照明级白光LED应用中,虽然存在着效率低、调节性差等问题,但是由于其电路简单、体积小巧,能满足一些特定的场合应用较多。

  开关型驱动可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率,应用方式主要分为降压式和升压式两大类。降压式开关驱动是针对电源电压高于LED的端电压或者是多个LED采用并联驱动情况下的应用。升压式开关驱动是针对电源电压低于LED的端电压或者是多个LED采用串联驱动情况下的应用。

  一般认为,隔离型驱动安全但效率较低,非隔离型驱动效率较高,应按实际使用的要求来选。

  目前设计一般的基本LED驱动器照明应用相对较简单,但是如果还需要其它功能如相位控制调光和功率因子校正(PFC),设计就变得复杂。无功率因子校正功能的非调光LED驱动器通常包含一个离线式开关电源,用于恒定电流下调节输出。

  LED驱动器的后端架构包含一个具有短路保护功能的电流调节电路。可以利用线性调节电路达到这一目的,然而这种方法本身效率低下,因此适用低输出电流,通常不会应用到多级架构中去。替代方法是使用简单的、具有电流回馈功能的降压稳压器电路,以便限制了输出电流超过期望的LED驱动电流。其抵消了总LED正向电压随温度和器件容差的变化,还限制了出现短路或其它故障条件时的电流,从而能够保护驱动器免遭损 绿色环保  不含汞、铅等对环境污染很大的重金属发时会产生紫外线,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。

责任编辑:ZY   来源:新浪微博

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