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LED灯及在住宅照明中的应用
LED灯及在住宅照明中应用
LED灯(LightEmittingDiode)
1962年,美国通用电气公司Holonyak博士,用气相外延方法(VPE)制作成功化合物半导体材料磷砷化镓,开发出第一批发光二极管,即发明了LED光源。
当时,发光二极管发光效率低,仅为0.1lm/W-0.2lm/W,应用前景为显示器、指示器光源。
但是在1963年2月,Holonyak就预言:
“我们坚信LED会发展成实用白色光源”。
2010年,LED开始进入普通照明领域,我国半导体照明产业规模已达1200亿元,其中,上游外延心片产值为50亿元,中游封装产值为250亿元,下游应用产值为900亿元,主要产品为LED球泡、MR16、PAR灯等。
国家发改委统计数据显示,我国LED照明芯片、封装和应用产值之比为1∶9∶22,从产业布局来看,LED产业发展不平衡。
而美国GE、荷兰飞利浦、德国欧司朗等世界三大照明公司,纷纷与上游半导体公司合作组建半导体照明公司,积极创造竞争优势,并正在中国抢占专利制高点,对我国半导体技术发展形成了合围之势。
因此,如何有效整合国内上海、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、以及长三角、珠三角、闽三角以及北方地区四大半导体照明产业聚集区域优势资源,通过产业集群协同创新,共同应对跨国公司竞争成为国家及地方政府和企业家核心问题。
2.4.1LED灯发光原理与特点
最早应用半导体P-N结发光原理制成LED光源问世于20世纪60年代初。
当时所用材料是GaAsP,发红光(λp=650nm),在驱动电流为20mA时,光通量只有千分之几个lm,相应发光效率约0.1lm/W。
70年代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(λp=555nm)、黄光(λp=590nm)和橙光(λp=610nm),光效也提高到1lm/W。
到了20世纪80年代初,出现了GaAlAsLED光源,使得红色LED光效达到10lm/W。
20世纪90年代初,发红光、黄光GaAlInP和发绿、蓝光GaInN两种新材料开发成功,使LED光效得到大幅度提高。
在2000年,前者做成LED在红、橙区(λp=615nm)光效达到100lm/W,而后者制成LED在绿色区域(λp=530nm)光效可以达到50lm/W。
图2-9为一款LED灯。
图2-9LED灯
1.LED光源发光原理
50多年前人们已经了解半导体材料可产生光线基本知识,LED心脏是一个半导体晶片,晶片一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来时候,它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子形式发出能量,这就是LED发光原理。
而光波长也就是光颜色,是由形成P-N结材料决定。
对于一般照明而言,人们更需要白色光源。
白色LED灯几乎不含红外线与紫外成分,显色指数可达85,光输出随输入电压变化基本上呈线性,因此调光方法简单,效果可靠。
1996年9月发白光LED由日本日亚工业株式会社成功推出。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光(λp=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成含Ce3+YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射,峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG树脂薄层,约200-500nm。
LED基片发出蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出黄光混合,可以得到得白光。
现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉化学组成和调节荧光粉层厚度,可以获得色温3500K-10000K各色白光。
到2001年,美国holygrail光效已达40lm/W-50lm/W。
目前实现LED照明有三种技术路线:
利用红、绿、蓝三基色LED合成白光;利用紫外LED激发三基色荧光粉,由荧光粉发出合成白光;采用蓝光LED激发黄光荧光粉实现二元混色白光。
其中,利用红、绿、蓝三基色LED合成白光,不仅可实现白光光谱,而且光源颜色可调。
2.LED灯分类
照明LED产品一般有两种分类方法。
(1)根据LED模块与驱动控制电路集成程度分类
根据LED模块与驱动控制电路集成程度分为自镇流LED模块和非自镇流LED模块。
1)自镇流LED模块是指LED模块与驱动控制电路集成在一起,形成了一个不可分割整体。
2)非自镇流LED模块是指不带驱动控制电路LED模块。
(2)根据LED模块与灯具集成程度分类
根据LED模块与灯具集成程度,LED灯分为集成型、内置型和独立型三种。
1)集成型是指LED模块作为灯具中一个不可替换部件,与灯具集成在一起,形成了一个不可分割整体。
2)内置型是指LED模块作为灯具中一个可替换部件,但不能离开灯具单独使用。
3)独立型则提供了安全保护,LED模块可以脱离灯具单独使用。
3LED光源特点
(1)节电、寿命长
LED单管功率为0.03W-0.06W,采用直流驱动,单管驱动电压1.5V-3.5V,电流15mA-20mA。
在同样照明效果情况下,耗电约为白炽灯1/8。
LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎,理论平均寿命达100000h。
另外,LED灯具使用寿命可达5年以上。
(2)安全环保
LED是冷光源,发热量低,无热辐射,可以安全接触;能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光。
特别是LED灯不含汞、钠元素等可能危害人体健康物质,其废弃物可回收,无污染,这是绿色光源重要指标。
(3)近阶段适合城市景观照明
LED启动时间只有几十纳秒,可反复频繁亮灭;LED光源色彩纯正、丰富,可演变任意色彩,其装饰性优秀;LED光源体积小,可以作成点光源,并可以进行多种组合,从而形成点、线、面、体多种形状;LED光源通过微机智能化控制技术,对点状LED光源组合进行动态控制、闪变控制,适合形成“点、线”;进行渐变控制,适合形成“面”。
使图案纵向、横向动感变化。
以上三种变化也可形成球体旋转运动,能够作到单灯控制和群灯控制。
美国能源部(DOE)2012年初发布了LED灯泡测试结果。
太平洋西北国家实验室(PNNL)对来自18个不同厂家A19、G25、MR16、PAR20、PAR30每款灯都进行了三个样本测试,使用积分球进行lm-79光度测试,这些灯泡是在2011年夏季购买,在秋季进行测试。
本次测试包含了11个A19样品,这些样品光效都接近60lm/W,耗电小于10瓦灯泡光效为50~55lm/W,大于10瓦光效为55~70lm/W。
G25样品,光效为35~55lm/W。
MR16和PAR20LED样品测试结果较好,被测试8个PAR30样品光效在节能灯上下浮动,光效为50~55lm/W。
测试所有样品色温范围为2500K~6000K,大部分样品在2700-3000K范围内。
整个测试中,显色性差异显著,价格较低者显色性较差,一些样品显色指数低于70,大部分样品在80左右。
2.4.2LED灯具
LED灯具,以其高效、节能、长寿、小巧等技术特点,正在成为新一代照明市场主力产品,并且有力地拉动环保节能产业高速发展。
1.LED灯具形式
目前LED灯具中使用最普遍形式主要有两类,一类是采用传统灯具外壳,只是在灯具内,在一个几乎是平板安装面(也是反光面)上,装上了矩阵式LED,这种设计方式是不可能得到良好灯具配光。
另一类是把多个LED集成在一个圆形区域内,区域直径大约为30mm~40mm,再利用灯具反射器进行配光,但这种设计方式灯具分布光度也不会优于传统灯具,并且由于在一个很小区域内集成了高密度LED,使LED散热情况明显不良,不仅影响到LED发光效率,而且也往往影响到LED使用寿命。
反射器是一个重新分配光源光通量器件,光源发出光经反射器反射后,调整光线到预期方向,同时减少光损失和眩光。
灯具常用反射材料反射特性见表2-25。
表2-25灯具常用反射材料反射特性
反射材料
反射率(%)
吸收率(%)
特性
镜面反射
银
90-92
8-10
亮面或镜面材料。
光线入射角等于反射角。
铬
63-66
27-34
铝
40-50
10-40
不锈钢
50-60
40-50
定向扩散反射
铝(磨砂面、毛丝面)
55-58
42-45
磨砂面或毛丝面材料,光线朝反射方向扩散。
铝漆
60-70
30-40
铬(毛丝面)
45-55
45-55
亮面白漆
60-85
15-40
漫反射
白色塑料
90-92
8-10
亮度均匀雾面,光线朝各个方向反射。
雾面白漆
70-90
10-30
照明用LED灯最大特点是具有定向发射光功能,因为目前功率型LED灯几乎都装有反射器,并且这种反射器效率都明显高于灯具反射器效率。
另外,LED灯光效检测时已经包括了自身反射器效率。
采用LED灯道路灯具应尽可能地利用LED灯定向发射光特性,使道路灯具中各个LED灯分别直接把光线射向被照路面各个区域,再利用灯具反射器辅助配光,来实现合理道路灯具综合配光。
应该说,道路灯具要真正做到符合《城市道路照明设计标准》CJJ45—2006和CIE31以及CIE115标准照度和照度均匀度要求,灯具内应包含三次配光功能才能比较好地实现。
而带反射器并且具有合理光束输出角度LED灯本身就具有良好一次配光功能。
在灯具内,能按照路灯灯具高度及路面宽度设计各个LED灯安装位置和发射光方向就能实现良好二次配光功能。
在此类灯具中反射器,只作为辅助三次配光手段,来保证道路照度更好均匀度。
由上海市照明学会组织对山东省威海市次干道采用LED光源道路灯具试验道路段验收,这一试验道路灯具及布局就是采用上述原理设计,从现场实测结果来看,这一试验路段正是充分利用了LED灯合适定向发光功能,并采用了三次配光方式,不仅使次干道道路照度和道路路面照度均匀度达到了国家标准要求,而且在灯具主要照明方向上,也防止了此区域局部过度照明。
由于充分利用了LED灯特点,并用合理配光方式充分地利用了LED灯光输出,从而弥补了LED灯本身光效不如HID光源不足,使整个道路单位面积在达到标准要求前提下,其能耗仅为采用高压钠灯道路灯具原照明设计能耗70%左右,取得了明显节能效果。
目前各级政府都大力推行节能减排,在室内照明中,已经强制执行照明功率密度(LPD)限值。
我国道路照明节能认证技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》提出了道路照明功率密度(LPD)考核要求,其核心部分是在满足道路路面照度和照度均匀度前提下尽可能地降低照明功率密度(单位为W/m2),从而达到节能目。
上述采用LED灯道路灯具设计思路正是迎合了《道路照明灯具节能认证技术要求》考核要求。
目前加拿大政府已经按道路照明功率密度(LPD)要求,推行其道路照明节能工作,估计在不远将来会有更多国家按LED灯要求推行其道路照明节能工作。
在实际照明灯具设计中,可采用在基本设定每一个LED灯投射方向前提下,把每一个LED灯用球形万向节固定在灯具上,当灯具使用于不同高度和照射宽度时,可通过调整球形万向节使每一个LED灯照射方向都达到满意结果。
在确定每一个LED灯功率、光束输出角度时,分别计算出各LED灯在基本选定光束输出角度时应该具备功率,并且可以通过调整各LED灯功率以及LED灯驱动电路,输出给每一个LED灯不同功率,来使每一个LED灯光输出都达到预计值。
这些调整手段都是采用LED灯具所特有,充分利用这些特点就能降低照明功率密度,达到节能目。
2LED散热工况和IP防护
散热是LED灯要重点解决问题。
LED是冷光源,不象白炽灯那样产生灼热高温,但是,LED本身耐温能力比较差,因此不耐高温,而且发光效率会随芯片温度上升而降低,所以必须将LED工作时产生热量有效散发到空气中去,保证LED光源芯片工作在安全温度环境下,这样LED灯才能真正体现寿命长优势。
(1)LED散热
目前LED组件光效不高,输入能量只有约15%转化为光能,其余85%变成热。
如果这些热无法排出,将使LED温度升高,影响其光效和使用寿命。
实验证明,LED心片界面温度升高会造成亮度下降,加快LED组件损坏。
据LED厂商资料分析,LED故障原因有70%是由于温度过高引起。
首先要解决大功率LED照明光源封装结构,对于大功率LED,采用铝基板或陶瓷基板替代铜箔印刷电路板,新近又开发出散热性更好兼顾传导率与热膨胀系数匹配复合基板。
这样将加快内部热量散发,有效降低心片温度。
其次是心片制作采用倒装焊(Fpipchip)。
Fpipchip结构将心片通过焊料倒装在硅衬底上,LED出射光线不经过P电极,减少了被吸收量,使发光效率得以提高。
第三是设计二次散热装置降低热阻,在器件内部,填充透明度高柔性硅橡胶,替代传统环氧树脂,能获得良好整体热特性。
(2)LEDIP防护
LED工况和散热直接关系其发光效率和使用寿命。
LED灯应具有一定等级防尘防水功能(IP),良好IP防护往往会妨碍LED散热。
解决这个相互矛盾问题是灯具设计时应关注一个重要方面。
国内目前使用中出现不合格及不合理情况有:
对LED采用了散热器,但LED连线接线端子及散热器设计无法达到IP45及以上等级,无法满足GB7000.5P标准要求。
采用普通灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED,这种设计虽说能满足IP试验,但是由于灯具内不通风会造成在工作时,灯具内腔温度会升高到50-80℃,在如此高工况下,LED发光效率是不可能高,同时LED使用寿命也将大打折扣。
在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热,其进风口设计在灯具下方,以避免雨水进入,出风口设计在下射LED光源四周。
这样也能有效避免雨水进入,另外散热器和LED光源腔不处于同一空腔内,这种设计如果做得好,按灯具IP试验要求,能顺利通过。
3灯具设计
灯具设计要兼顾灯具中LED散热及IP防护,较合理设计有:
(1)导热板应用
关键散热位置采用导热板,导热板是在金属板内部,均匀分布有供冷媒体流动细导管,并在细导管内充有冷媒体,当导热板某一部位受热时,细导管内冷媒体会快速流动而使热量迅速地传导。
好导热板热传导系数可以达到同厚度铜材板8-12倍,虽说价格较高,但如在关键部位使用,对LED散热将起到良好作用。
(2)灯具外壳设计成散热器状
目前大部分道路灯具外壳是铝材,直接利用灯具外壳表面作为散热器,既可以保证IP防护等级要求,也可以得到很大散热面积,另外,灯具外壳组成散热器在有落尘时,可以通过自然风雨而冲洗,从而可保证散热器工作持续有效性。
(3)LED驱动电路效率和输出特性
LED对驱动电路要求是能保证恒流输出特性,因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小,所以保证了LED驱动电流恒定,也就基本保证了LED输出功率恒定。
对于我国电源电压现状,道路灯具LED驱动电路具有恒流输出特性是十分必要,可保证光输出恒定并且防止LED超功率运行。
要想使LED驱动电路呈现恒流特性,从驱动电路输出端向内看,其输出内阻抗一定是高。
工作时,负载电流也同样通过这一输出内阻抗,如果驱动电路由降压、整流滤波后加在其上必定也消耗很大有功功率,所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出前提下,效率是不可能高。
正确设计方案是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED,采用上述方案可以使驱动电路在保持良好恒流输出特性前提下,仍具有很高转换效率。
2.4.3有机发光二极管OLED
有机发光二极管(OLED)发展重要里程碑为20世纪80年代中期。
美国柯达公司华人工程师邓青云于1979年发现了具有发光特性有机材料,并提出多层结构,引入芳香族胺类为传递层,成功建立了高效率及低驱动电压元件结构,1987年获得了OLED设计第一个专利。
之后历经20多年改进,OLED有了长足进步。
由于OLED为平面发光,而且可在轻薄、可挠式基材上形成阵列结构,,所以也非常适合应用于照明光源,2010年,OLED发光效率为80lm/W,目前最好OLED器件发光效率为102lm/W。
到2015年有望达到120lm/W-150lm/W,将有可能与大功率白色LED竞争,广泛应用于照明。
1.OLED构成
有机发光二极管(OLED)是一种薄膜多层器件,由碳分子或聚合物组成。
它们构成是:
(1)金属箔、薄膜或平板(刚性或弹性)平台;
(2)电极层;
(3)活性物质层;
(4)反电极层;
(5)保护层。
2.OLED技术优势
有机发光二极管OLED几乎具有LED所有优点,因为OLED器件结构简单,制造工艺成本低,还具有以下技术优势;
(1)OLED本身为面光源,容易扩展成大面积平面光源;
(2)OLED可制作在柔性塑胶基板上,在住宅照明设计中可结合墙壁、顶棚、地板及家具进行整体设计;
(3)OLED是自发光元件,可以大面积挂于室内墙壁上,或嵌在窗户玻璃上。
美国显示协会制定照明用OLED成果目标如表2-26所示。
表2-26美国显示协会制定OLED应用于照明成果目标
性能参数
单位
第一阶段
第二阶段
第三阶段
第四阶段
时间
年
2004
2007
2010
2013
能量效率
%
5
15.5
20
30
发光效率
Lm/W
20
50
80
120
景色指数
CRI
75
80
85
90
寿命(2000cd/m2)
h
10000
20000
40000
50000
最大面板尺寸
英寸
14
40
40
>40
面板厚度
mm
2.0
1.0
0.5
0.5
单位面积重量
g/cm2
0.5
0.25
0.1
0.1
制造成本
美元
120
60
40
30
注:
表2-26来源:
U.S.DispulyConsoytium,2002
住宅照明
住宅是人们生活居住场所,住宅环境质量直接影响我们生活质量。
现代人需要是高质量生活环境,住宅照明设计就是要营造一个温馨舒适灯光环境。
住宅照明质量优劣,直接影响人情绪、视力健康、活动范围和舒适感。
住宅各个部分一般有特定功能,因此在照明时就有不同要求。
住宅照明要求包括:
合理照度、光色、灯具与环境、陈设协调美观以及局部照明与整体照明和谐统一。
人们从事活动不同,对照度需要也不相同,缝纫最高,依次是读书、看报、电脑操作、写字、烹饪、听音乐、看电视和休息。
现代住宅讲究室内装饰美观,对居室照明也有更高追求,居室色彩会对人生理和心理产生影响。
因此设计和布置居室照明时,除了应考虑色彩选配,以求光色与居室布置和家具色彩和谐之外,,还要重视节约能源,以获得典雅、大方、舒适、豪华又节能效果。
3.1照明设计
照明规划与照明设计作为城市建设专项学科,分为照明总体规划、照明详细规划、照明设计三个逐层递进设计阶段。
照明总体规划作为城市总体规划一部分,起到功能照明、景观照明、分期建设、照明管理等综合协调作用;照明详细规划为照明项目设计、建设提供引导;而照明设计则是依据照明详细规划中规定,通过设计师创作,实现光与载体作用结果。
3.1.1照明技术基本概念
电气照明灯光稳定、色彩丰富,容易实现控制和调节,能够满足人们对照明需要,因此成为现代人工照明中应用最广泛照明方式。
电气照明是以光学为基础,照明技术实质主要是光控制与分配技术,包括光、视觉、颜色等。
住宅照明设计要素
住宅照明设计要素包括住宅照明评价指标、住宅照明基本要求以及住宅照明设计主要参数等。
1.住宅照明评价指标
与住宅照明设计有关照明评价指标主要有:
照明水平、最佳亮度、眩光、色表和颜色显现等。
(1)照明水平
从照明技术主要参数可知,反射光通与投射光通之比为反射比
,被照面单位面积上接受光通量为照度E,被照射表面亮度L和照度E与表面反射比
乘积成正比。
也就是说,被照面反射比将照度和亮度两个指标紧密地联系在一起。
荷兰著名学者德波尔(DeBoer)等首次提出,对于漫反射面而言,其表达式为:
(3-5)
式中:
L——亮度,cd/m2;;
E——照度,lx;
——反射比。
由于照度和亮度有密切联系,因此将它们共同称为照明水平。
在住宅照明设计中,需要照明水平一方面要考虑人对视环境满意不满意问题,另一方面则取决于视觉工作难易程度和视功能水平。
照明水平可以用假想水平工作面照度来规定,也可以用特殊表面亮度来规定,还可以同时用照度和亮度来规定。
经验证明,这些量中无论哪个量量值发生变化,对人工作功能和舒适感都有深刻影响。
因此,国际照明委员会CIE在其《室内照明指南》中,建议在制定照明规范时应推荐三种照度标准。
我国住宅建筑照明照度标准值也有三个标准,如下面表3-6所示。
(2)最佳亮度
一般认为人眼看高反射比表面比看低反射比表面要亮得多,这就是为什么室内照明规范用照度而不用亮度原因。
从式3-5可知,物体亮度是照度和反射比函数,物体反射比增加,或者落在物体上光通量增加,或者两者同时增加,都将使亮度增加。
经验和实验室研究表明,人眼睛能够响应一定范围亮度而对亮度辩别力没有严重损失,也不会感到不舒适,这种亮度范围界限是由眼睛适应亮度决定。
因此,人视野内各种物体,如灯具、墙壁、顶棚亮度必须设置在亮度界限之内。
室内墙壁最佳亮度范围,Balder和Barthes、Richard分别作了两个研究。
研究表明,墙壁最佳亮度不仅与作业照度有关,还与墙壁颜色和反射比有关。
当相对墙壁照度比,即垂直照度与水平照度之比在0.5-0.8之间时,可能得到最佳状态。
顶棚最佳亮度主要受顶棚灯具亮度决定。
Balder、Collins、Plant、Fischer等人研究表明,顶棚亮度上限由所用灯具相应眩光界限确定。
在照度范围低端(500lx),顶棚最佳亮度大约是墙壁最佳亮度4倍;而在照度范围高端(20000lx),顶棚最佳亮度与墙壁最佳亮度几乎相等。
在照明设计中,如果使顶棚亮度和墙壁亮度相等,眼睛就会感到单调,除非所用颜色不同。
顶棚亮度是室内照明设计一个因数。
在顶棚足够高,以至于在视线之外时,顶棚亮度对在它下面工作人舒适感没有直接影响,此时,顶棚亮度就可经从提高利用系数角度来选择,一般将顶棚高度定为3m左右。
在这个高度,顶棚在视觉上是舒适,顶棚亮度可以适当选择。
(3)眩光(glare)
眩光是指视野中由于不适宜亮度分布,或在空间或时间上存在极端亮度对比,以致引起视觉不舒适和降低物体可见度视觉条件。
视野内产生人眼无法适应之光亮感觉,可能引起不舒适或丧失明视度。
眩光是引起视觉疲劳重要原因之一。
直射眩光有两种:
损害视觉眩光称为失能眩光,引起不舒服感觉眩光称为不舒适眩光。
在室内照明实践中,不舒适眩光引起问题要比失能眩光多,而且控制不舒适眩光措施,也能用来控制失能眩光。
试验结果分析表明,引起眩光因素有:
灯具亮度;房间长度和灯具安装高度;由平均水平照度表示视适应水平;灯具种类,例如灯具侧面是否发光。
控制眩光要从灯具本身开始,要保证灯具不
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