LED光源在照明領域的應用,是半導體發光材料技術高速發展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產物。“綠色照明”是國外照明領域在上世紀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。實現這一計劃的重要步驟就是要發展和推廣高效、節能照明器具,節約照明用電,減少環境及光污染,建立一個優質高效、經濟舒適、安全可靠、有益環境的照明系統.(編輯:傳奇商城)
一、LED照明概念LED(LightEmittingDiode),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PN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$LED。直到1994年,藍色、綠色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司(日亞)成功開發出白色LED。LED以其固有的特點,如省電、壽命長、耐震動、響應速度快、冷光源等特點,廣泛應用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領域,在我們的日常生活中處處可見,家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制,無法作為通用光源推廣應用。
近年來,隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入,LED制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發和應用,各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展,其發光效率提高了近1000倍,色度方面已實現了可見光波段的所有顏色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出現,使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經有人指出,高亮度LED將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡后,最偉大的發明之一。
(二)LED發光原理發光二極管主要由PN結芯片、電極和光學系統組成。其發光體—晶片的面積為10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前國際上出現大晶片LED,晶片面積達40mil。其發光過程包括三部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。微小的半導體晶片被封裝在潔凈的環氧樹脂物中,當電子經過該晶片時,帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域并與之復合,電子和空穴消失的同時產生光子。
電子和空穴之間的能量(帶隙)越大,產生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應,可見光的頻譜范圍內,藍色光、紫色光攜帶的能量最多,桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙,從而能夠發出不同顏色的光。LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。
目前,已商品化的白光LED多是二波長,即以藍光單晶片加上YAG$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,無熱輻射性,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照明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%的白熾燈及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%的白熾燈換成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%的白熾燈及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