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发光二极管LED照明

时间:2013-08-03来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华 点击: 999999次

发光二极管照明

发光二极管照明(英语:LED lamp)是指利用发光二极管作为光源技术,大致可分为半导体发光二极管及有机发光半导体(OLED)两种主要类别。目前用在照明上的主要是半导体发光二极管,但使用高分子发光二极管(PLED,属OLED的一种)作为照明光源的研究,也正在进行中。
 
单颗发光二极管的光度比传统灯泡和省电灯泡低很多,所以一个灯泡通常会包含多颗发光二极管。近年,二极管技术提高,高功率、高光度的发光二极管陆续上市,使得这类灯泡渐有取代其他传统光源之势。已有厂商推出单颗设计的照明用高功率LED芯片,只需100瓦的电力,就能发出7,527流明的光度。除了用于专为LED所设计的灯具外,LED也可在加装转换电路与相关的稳定装置后,制成与其他光源兼容的灯泡,安装于传统光源的灯具中。
 
由于二极管是使用直流电(DC)驱动,所以LED灯泡内通常设有电路,以将日常使用的交流电(AC)转为直流电,以供电给泡内的LED。此外,高温会损坏LED,故LED灯泡一般会配以散热片等散热配件。LED灯泡寿命长、能源效益高,主要缺点在于初期的建置成本比荧光光管等传统照明光源高。
LED灯泡
各种已推出市场LED灯泡,用以取代传统灯泡的螺旋式接口,包括泛光灯(左)、阅读灯(中)、一般家用灯(中偏右和下)和低功率的装饰灯(右)。

技术简介

一般照明会使用白光,由不同波长的光所组成。但LED只能发出波长相距很少的光,故带有颜色。不同的LED,其半导体材料的能隙不同,故发出不同颜色的光。要制造白光LED,有两个方法:将红、绿和蓝三色的LED混合,或者用磷来转变光的颜色。
 
第一种方法(RGB-LEDs)用多颗LED,每颗发出不同波长的光,LED间波长相距很少,所以形成了一条白光谱。其优点是每颗LED的光度可独立调较,造出不同颜色,但制作成本很高。
第二种方法(荧光粉转换白光发光二极管,phosphor converted LEDs, pcLEDs),利用短波长LED(通常是蓝或紫外光),磷会吸收部分蓝光,发出一个阔光谱的白光。这个原理跟荧光灯利用磷发出白光相似。这个方法成本较低,演色性指数(Color Rendering Index, CRI)高,但不能随意改变其发光特性,而且会减低效能。这种灯具价钱低且表现中等,这种技术今常用于一般照明。
但这种方法会使多余的电压转化为热而流失。将多颗LED串联可以减少电压损失,但一颗LED故障则整串不会发光。几串的LED会并联使用,使其更加可靠。现实中,三串或以上的LED会并联使用。
用于家居和办工场所的照明时,一颗灯内会多颗LED,以解决单颗LED光度不足的问题。如果使用颜色混合的方法,会造成颜色分布不均。因为调较出来的白光LED的颜色平衡并非最佳。而且,不同种类LED的老化速度均会不同,亦会导致不平均的颜色输出。一颗灯泡里通常包括一组LED、驱动的电子电路、一块散热片和光学零件(如玻璃)。
配以LED灯的轻钢架天花板
配以LED灯的轻钢架天花板

驱动电路

LED是一个低电压的半导体产品,过高的电压会导致损坏,不能直接由标准的交流电驱动,需要额外电路来控制电压和电流供应。这个电路包括一连串的二极管和电阻,以控制电压的极性和限制电流。
基本电路
一般照明LED灯,会包含多颗LED,并以以下三种基本接法连接起来。
串联
数颗LED串联起来,只有一个电阻限制电流。一颗LED开路故障时,整个电路就变成断路,整串不能发光;短路故障时,其他LED的电流电压均会增加。
串联
串联
并联
数颗LED并联起来,每颗LED都需要一个电阻限制电流。每一颗LED均是独立驱动。开路故障时,其他LED能正常发光;短路都障时,整个电路变成短路,不会发光。
并联
并联
混合
混合了串联和并联的方法,由一个串联电路,包含了数个并联的部分。短路故障时,即使有一颗LED发生故障,其他LED依然会维持发光;开路故障时,除了故障的并联部分外会维持发光。
混联
混联
虽然上述的电路能在某些LED故障时发光,但由于故障时其他LED,均会超过额定的电流电额,会减低寿命,故最好遇到故障时整个组件换掉。
额定正电压
物理条件:Ta=25℃ If=20mA。
  • 红色LED:Vf:2.1 - 2.6V
  • 绿色LED:Vf:3.3 - 3.9V
  • 蓝色LED:Vf:3.2 - 4.0V
  • 白色LED:Vf:3.1 - 4.0V
省电
LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。

应用

一般和特殊照明均可使用LED灯。传统的颜色光灯通常是在发出白光的灯上,加上滤镜,隔走其他颜色所造成,导致能源效益低下。但LED可以发出单色光,不用滤镜。
 
与荧光灯相比,LED灯不含汞、即开即亮、常开常关无损寿命,及较难打破,均比萤光灯优胜。
 
白光LED灯寿命长、相对用电少。LED体积小,设计灯具时不但更有弹性,而且用较小的反射镜和透镜,就能轻而易举地把光分布平均,甚至不会减低能源效益。
 
LED灯没有玻璃管,内部零件装嵌稳妥,不易受震荡和撞击影响。有些驱动电路的设计,可使LED灯调节光暗,而且所需电流没有下限,也能维持灯的运作,故可调节的范围很大。
 
颜色混合LED可以利用转变不同颜色的光度比例,故可随意调校出多种颜色,用来制造各种颜色的灯。和其他的照明技术相比,LED的光照射角度一般较小。这种特性有好有坏,视需要而定。当光需要散开时,则需另外加设散光器,或用多颗LED覆盖不同方位

家用LED灯

LED灯泡

很多LED灯均可取代螺旋式热炽灯或省电灯泡,由5-40瓦特,低功率的热炽灯,至60瓦特(只需约需7瓦特电力)。截至2010年,有些灯甚至能取代更高功率的灯泡,例如一颗13瓦特的灯泡就与100瓦特热炽灯的光度相约。(一般的热炽灯光效标准,约为14至17流明/瓦特,视乎其大小和电压而定。根据欧盟标准,一颗与60瓦特热炽灯等效的“节能灯泡”,最少要能输出806流明。)
多数的LED灯泡都是设计成不可调暗的,但亦有些能配合调光器操作,而且光照角度较窄。由2010年起,这些灯泡开始由30至50美元的价钱下跌。LED灯泡比省电灯泡更省电,若散热合宜,寿命长达30000小时。热炽灯一般都只有1000小时寿命,省电灯泡亦只有大约8000小时。故LED灯泡能使用大约25至30年,而且光度的随年月衰减很少。能源之星标准订明灯泡使用6000小时后,光度衰减应在10%之内,最差不可超过15%。不像荧光灯,LED灯泡都是无汞的。LED灯泡亦有不同颜色选择。售价虽然较高,但电力和维护费用较低,可亘相抵消。
LED电筒专用灯泡(左),可取代同款热炽灯(右)
LED电筒专用灯泡(左),可取代同款热炽灯(右)

特殊用途

白光LED灯泡具高效能,在低功耗的市场(如手电筒、太阳能花园灯和行人路灯、自行车灯等)有领导地位。单色LED灯常用来造交通灯和节日灯饰。
 
2010年,LED灯成为了园艺界和农业的热门话题。美国国家航空航天局率先在太空使用LED灯栽种,其后家用和商业的室内园艺也跟随。这些栽种专用灯经特别设计,其光波刚好是叶绿素吸收的波长,促进生长之余,亦减少植物不吸收的光波而造成的浪费。在可见光谱中,光合作用只需红蓝两色,所以这些灯的设计都有这两种颜色。比起同类产品,这些LED灯能提供同样光度、不需镇流器、而且发热比气体放电灯少得多,用于室内栽种十分适合。发热少能减少蒸散作用,从而减少灌概次数。亦因如此,使用这些栽种灯时,植物亦不宜过分灌概。

困难

  • 散热需求高
在散热不良的情况下,LED的寿命会大幅减少。
  • 高起始成本
LED价格高,虽然说长期成本可能较低,但是较高的起始成本降低了LED的普及率。
  • 演色性有待加强
荧光灯无法完全取代白炽灯的重要原因就是因为荧光灯演色性不佳(白炽灯是连续而且平滑的光谱,演色性指数(Color Rendering Index, CRI)接近100,这样的光线也有较健康护眼的特色;其他人工光源多属发射光谱,很难取代白炽灯及阳光)。目前中低阶LED的演色性甚至还低于荧光灯。
  • 效率仍待加强
LED在低光度下效率极佳,但是当功率提高,效率就没那么好,尤其是中低阶的大功率LED照明,效率还是比不上T5光管。
  • 生产误差大
同一批生产的LED,每颗LED之间的特性(亮度、颜色、偏压…等)也有相当大的差异,必须花费相当成本分出各种LED。
 
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