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    什么是led照明?

    燈具燈飾網 2015/4/17 11:31:13  
    【燈具燈飾網2015年4月17日疑問解答中心】 LED(LighTIngEmittingDiode)照明即是發光二極管照明,是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料,在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射,直接發出紅、黃、藍、綠色的光,在此基礎上,利用三基色原理,添加熒光粉,可以發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色等任意顏色的光。LED燈具就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。 

    照明原理  
    LED光源的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-V特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光。 假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。  
    理論和實踐證明,光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料帶隙Eg有關,即 λ≈1240/Eg(mm)  
    式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380nm紫光~780nm紅光),半導體材料的Eg應在3.26~1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍。  
    照明特性  
    極限參數  
    (1)允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值,LED發熱、損壞。  
    (2)最大正向直流電流IFm:允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。  
    (3)最大反向電壓VRm:所允許加的最大反向電壓。超過此值,發光二極管可能被擊穿損壞。  
    (4)工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發光二極管將不能正常工作,效率大大降低。  
    不改變材質的前提下,在LED的極限范圍內,提高亮度的手段就是提高電流,隨著電流升高,LED發熱量會劇增。使用過LED光源便攜投影機的,或微投的朋友,一定都深有體會,LED光源的投影機,非常熱,而且普遍會有明顯的噪音。這些產品,機身小是一方面,關鍵還是其自身發熱量較大所致。  
    隨著功率的增加,LED的散熱問題顯得越來越突出,大量實際應用表明,LED不能加大輸入功率的基本原因,是由于LED在工作過程中會放出大量的熱,使管芯結溫迅速上升,熱阻變大。輸入功率越高,發熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能變化與衰減,非輻射復合增加,器件的漏電流增加,半導體材料缺陷增長,金屬電極電遷移,封裝用環氧樹脂黃化等等,嚴重影響LED的光電參數。甚至使功率LED失效。因此,對于LED器件,降低熱阻與結溫、對發光二極管的熱特性進行研究顯得日趨重要。  
    可靠性  
    LED驅動電源壽數偏低的一個重要原因是驅動電源所需的鋁電解電容的壽數缺乏,首要原因是長時間作業時LED燈內部的環境溫度很高,致使鋁電解電容的電解液很快被耗干,壽數大為縮短,通常只能作業5千小時左右。而LED光源的壽數是5萬小時,因而鋁電解電容的作業壽數就成為了LED驅動電源壽數的短肋。  
      如今有些供貨商為了處理這個難題,創造了無鋁電解電容的LED驅動電源計劃。但并不是所有的LED驅動電源供貨商都擁護這種做法。陳嶸指出:“當前量產的LED驅動電源中沒有一款是選用了無電解電容的驅動計劃,由于沒有它的話,許多試驗規范通不過,如EMI測驗和無閃爍測驗!  
      而選用鋁電解電容的LED驅動電源計劃很簡單通常以上測驗, pcb抄板若是換成薄膜電容和陶瓷電容或鉭電容,情況如何呢?薄膜電容要到達一樣的電容量(通常為100-220uF),體積就會很大,并且本錢也太高,陶瓷電容通常容量太小,如用多個陶瓷電容完成這么大的容量,占板面積和本錢都太大,鉭電容要具有這么大容量,一是太貴,而是耐壓太低達不到需求,因而換成其它任何品種的電容,基本上不是體積太大,就是太貴,如為了這些缺陷換成容量較小的電容,消除紋波的作用就沒有那么好,許多出口產品所需的嚴厲認證測驗目標就無法經過,因而當前高質量的LED驅動電源仍是遍及選用鋁電解電容。  
      許多供貨商聲稱的無電解電容LED驅動電源計劃,很可能僅僅去掉了AC輸入端的鋁電解電容,恒流輸出端的鋁電解電容應該是很難去掉或代替的。  
      NXP推了一款可TRIAC調光的內嵌了驅動電源的13WLED燈泡,這款根據SSL2102的驅動電源計劃選用了鋁電解電容。當筆者問及該燈泡的作業壽數時,鋁電解電容的作業壽數難題肯定會影響到整個LED燈泡的壽數,但能夠采納一些物理方法來減輕這個難題,如將鋁電解電容在PCB上方位接近燈尾,通常來說,最接近LED光源有些的溫度最高,可到達100-200℃,散熱金屬外殼有些其次,通常為100℃左右,燈尾有些最低,通常為70℃左右,因而只需注重把鋁電解電容的方位接近燈尾,其壽數就不會衰減得太兇猛。咱們的試驗標明,它的壽數還可到達1萬小時左右,相當于10年使用時間,這關于通常家庭用戶來說,十年換一次LED燈泡基本上是能夠承受的。  
    綠色環保  
    不含汞、鉛等對環境污染很大的重金屬,發光時會產生紫外線,因此LED照明不會象傳統的燈具那樣有很多蚊蟲圍繞在光源旁使環境變得更加干凈衛整潔;金屬殼恒流驅動的創新設計使產品電能轉換成光效率非常高。  
    獨特優勢  
    (一)節約能源:LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發光效率可達80―90%。筆者還將LED燈與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈做了一番比較,結果顯示:普通白熾燈的光效為12lm/w,壽命小于2000小時,螺旋節能燈的光效為60lm/w,壽命小于8000小時,T5熒光燈則為96Alm/w,壽命大約為10000小時,而直徑為5毫米的白光led為20―28lm/w,壽命可大于100000小時。有人還預測,未來的LED壽命上限將無窮大。  
    一般人都認為,節能燈可節能4/5是偉大的創舉,但LED比節能燈還要節能1/4,這是固體光源更偉大的改革。除此之外,LED還具有其他優勢,光線質量高,基本上無輻射,屬于典型的綠色照明光源;可靠耐用,維護費用極為低廉等等。正因為LED具有以上其他固體光源還無法匹敵的特點,10年后LED將是照明行業的主流光源。  
    (二)安全環保:LED的工作電壓低,多為1.4―3V;普通LED工作電流僅為10mA,超高亮度的也不過1A。LED在生產過程中不要添加“汞”,也不需要充氣,不需要玻璃外殼,抗沖擊性好,抗震性好,不易破碎,便于運輸,非常環保,被稱為”綠色能源”。  
    (三)使用壽命長:LED體積小、重量輕,外殼為環氧樹脂封裝,不僅可以保護內部芯片,還具有透光聚光的能力。LED使用壽命普遍在5萬―10萬小時之間,因為LED是半導體器件,即使是頻繁的開關,也不會影響到使用壽命。當今家用照明主要使用的是白熾燈、熒光燈及節能熒光燈。  
    (四)響應速度快:LED的響應頻率fτ與注入少數載流子的壽命τmc有關,如GaAs材料制成的LED,其τmc一般在1―10ns 范圍內,則響應頻率約為16―160MHz,這樣高的響應頻率對于顯示6.5MHz的視頻信號來說已經足夠了,這也是實現視頻 LED大屏幕的關鍵因素之一。  
    LED響應時間最低的已達1微秒,一般的多為幾個毫秒,約為普通光源響應時間的1/100。因此可用于很多高頻環境,如汽車剎車燈或狀態燈,可以縮短車后車輛的剎車時間,從而提高安全性。  
    (五)發光效率高:白熾燈、鹵鎢燈的光效為12-24lm/w(流明/瓦),熒光燈的光效為50―70lm/w,鈉燈的光效為90―140lm/w,大部分的耗電變成熱量損耗。而LED的光效經改善后可達到50―200lm/w,且光的單色性好、光譜窄,無需過濾就可直接發出有色可見光。  
    (六)LED元件的體積。焊颖阌诟鞣N設備的布置和設計,而且能夠更好地實現夜景照明中“只見燈光不見光源”的效果。  
    (七)LED光線能量集中度高:集中在較小的波長窗口內,純度高。  
    (八)LED發光指向性強:亮度衰減比傳統光源低很多。  
    (九)LED低壓直流電即可驅動:具有負載小、干擾弱的優點,對使用環境要求較低。  
    (十)可較好控制發光光譜組成:從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點照明。  
    (十一)可控制半導體發光層、半導體材料禁止帶幅的大。簭亩l出各種顏色的光線,且彩度更高。  
    (十二)顯色性高:不會對人的眼睛造成傷害。  
    照明規范  
    隨著LED陸續導入室內、室外照明市場,LED照明價格也大幅下降,但品質參差不齊也導致問題叢生,據指出,各地陸續訂定LED照明規范,多項強制性照明標準將從2012年起上路,將可望加速淘汰劣質品的惡性競爭,進而帶動LED照明市場洗牌效應。  
    由于LED照明應用日趨普遍及多元,臺灣經濟部標準局陸續制定多項LED照明標準,繼LED路燈規范制定腳步領先世界各國公布,2010年底又頒布3項常見LED室內燈標準,包括LED T8直管燈管、LED投光燈以及輕鋼架燈(含平板燈)等,業界指出,盡管相關標準規范已定,但LED路燈經過多年推廣,到2012年才可望擴大安裝,由于政府導入緩慢加上預算編列作業,估計要到2013~2014年才可望釋出采購標案。  
    盡管大陸LED產業發展如火如荼,但由于各地區氣候環境差異過大,因此產業標準尚未進入國家標準項目,由各省份各自主導推動地區性LED照明標準建立,不過據指出,大陸發改委將通過LED照明的技術規范,以室內led筒燈為優先項目,預料在技術規范定案后,2012年在大陸十二五規劃推動下,中央公布LED室內照明的補助財政方案將可望擴大實施。  
    至于LED照明產品輸入歐盟必須通過CE認證,而考量電磁輻射對人體可能會造成危害,歐盟也宣布于2013年起,強制執行人體電磁輻射安全規范標準。  
    隨著美國環保署于2011年10月公布新版固態照明燈具及光源產品上市規范,業界指出,備受關注的LM-80的光衰測試,預計將從2012年4月起強制實施,在新規范上路后,未來北美市場燈具廠商將優先采購通過LM-80驗證的LED產品,對于未受驗證的臺灣led封裝及晶粒廠,日后進軍美國市場恐將遭受阻礙。  
    由于LM-80的光衰驗證需經過6,000小時測試,耗時長達6~8個月,部分LED業界認為,LED產品規格及技術日新月異,在經過長達數個月后,LED照明驗證標準可能又將改變,故對此認證仍抱持存疑,不過工研= 表示,LM-80被視為進入美國市場的入場券,廠商必須出具LM-80(LED流明維持率)試驗的報告證書,才能取得能源之星標章,北美照明工程學會(IES)也已訂出LM-80的光衰減檢測標準,不僅為LED應用產品提供量測標準,也為消費者提供品質保證,將成為全球共通的檢測標準。 
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