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LED光源簡介

文字:[大][中][小] 2015-4-10    瀏覽次數:4161    

LED光源簡介—    一、LED(Lighy Emitting Diode),又稱發光二極管,它們利用固體半導體芯片作為發光材料,當兩端加上正向電壓,半導體中的載流子發生復合,放出過剩的能量而引起光子發射產生可見光。

(一)LED的發展歷史

應用半導體P·N結發光源原理制成LED問世于20世紀60年代初,1964年首先出現紅色發光二極管,之后出現黃色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)成功開發出白色LED。

LED以其固有的特點,如省電、壽命長、耐震動,響應速度快、冷光源等特點,廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域,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用。

近幾年來,隨著人們對半導體發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)的開發和應用,各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展,其發光效率提高了近1000倍,色度方面已實現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,使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經有人指出,高亮度LED將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡后,最偉大的發明之一。

(二)LED發光原理

發光二極管主要由PN結芯片、電極和光學系統組成。其發光體——晶片的面積為10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前國際上出現大晶片LED,晶片面積達40mil。

其發光過程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環氧樹脂物中,當電子經過該晶片時,帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域并與之復合,電子和空穴消失的同時產生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產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,可見光的頻譜范圍內,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黃色熒光粉混合產生白光。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生白光,它將取代熒光燈、緊湊型節能熒光燈泡及LED背光源等市場。

(三)LED光源的基本特征

1、發光效率高

LED經過幾十年的技術改良,其發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,采用直流驅動,單管驅動電壓1.5~3.5伏,電流15~18毫安,反應速度快,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八分之一,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。每年可節約相當于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光,燈絲發光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕,環氧樹脂封裝,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,避免經常換燈之苦。

4、安全可靠性強

發熱量低,無熱輻射,冷光源,可以安全抵摸:能精確控制光型及發光角度,光色柔和,無眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。內置微處理系統可以控制發光強度,調整發光方式,實現光與藝術結合。

5、有利于環保

LED為全固體發光體,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,易開發成輕便薄短小型照明產品,也便于安裝和維護。

當然,節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因,也許LED光源要比傳統光源昂貴,但是用一年時間的節能收回光源的投資,從而獲得4~9年中每年幾倍的節能凈收益期。

二、LED光源技術的應用前景及趨勢

長期以來,由于LED光效低的原因,其應用主要集中在各種顯示領域。隨著超高亮度LED(特別是白光LED)的出現,在照明領域的應用成為可能。據國際權威機構預測,二十一世紀將進入以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省能源的重要途徑,為實現這一目標業界已研究開發出許多種節能照明器具,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,開發和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區對LED照明效益進行了預測,美國55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代,每年節省350億美元電費,每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED,可減少1~2座核電廠發電量,每年節省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代,每年節省110億度電。日本早在1998年就編制“21世紀計劃”,針對新世紀照明用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照明產品的研究開發和生產。美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,專門開發白光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LED照明系統。臺灣目前的LED產量僅次于日本列在美國之前,從1998年開始投入6億臺幣進行相關開發工作。

LED發展歷史已經幾十年,但在照明領域的應用還是新技術。隨著LED技術的迅猛發展,其發光效率的逐步提高,LED的應用市場將更加廣泛,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,被業界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。

(二)照明應用中存在的主要技術問題

近年來,LED的發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發光效率接近熒光燈的水平,并在穩步增長中。但是,在照明普及應用方面仍存在一些技術性問題:

一是光通量有待進一步提高。采用LED作為照明光源,必須可以發出更多的光,必須具有更高的能量效率。

二是LED發出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的黃色光的成分,給人一種溫暖的感覺。而白光LED發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、低成本的方向發展,這為LED在照明領域的應用提供了有利條件。此外,較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。

三、LED照明技術在燈光環境中的應用

由于LED光源具有發光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強,有利于環保等特性,近幾年來在城市燈光環境中得到了廣泛的應用。目前已應用于數碼幻彩、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光源照明技術應用于城市燈光環境建設中,產生了良好的效果,積累了豐富的的經驗。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、東莞中心城區燈光工程、鄭州河南醫科大立交橋、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展,燈光環境(包括路燈、景觀燈、藝術燈等)建設領域將不斷擴大,LED光源的應用也將不斷發展。LED作為第四代新光源,在城市景觀燈建設領域中已得到了有效的應用,但要在路燈建設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,認真解決LED光源在照明應用中存在的技術問題,還需LED光源生產廠家結合路燈行業的實際情況,生產符合路燈建設和維修所需的新產品,使第四代新光源在城市照明建設中發揮更大的作用。


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