LED照明技术30问.docx
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LED照明技术30问
科纳实业
LED照明技术30问
什么是光?
光是指由光源发出的辐射能中的一部分,即能产生视觉的辐射能,所以又称为
“可见光”。
从物理学的观点,光是一种电磁辐射能,即电磁波。
将各种电磁波按
波长依次展布起来,就成为电磁波谱。
从电磁波谱中得知,可见光占电磁波中很小一部分,其波长在380~780nm范围
内,而且不同波长的光给人的颜色感觉也不同。
波长从380nm向780nm增加时,
光的颜色从紫色开始,按蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化。
两种颜色之
间没有明显的分界,而是由一种颜色逐渐减少,另一种颜色逐渐增多来过渡的。
全部可见光波混合在一起就形成日光(白色光)。
太阳所辐射的电磁波中波长大于
1400nm的被低空大气层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收;波长小于290nm的被
高空大气层中的臭氧所吸收。
能到达地球表面的电磁波,其波长正好与可见光的
波长相符。
这说明人眼对光的视觉反应是人类在进化过程中,对地球大气层透光
效果相适应的结果。
什么是光通量?
光通量(luminousflux)是一种表示光的功率的单位。
与辐射功率不同,光通量体现的是人眼感受到的功率。
因此,光通量就是用来表
示辐射功率经过人眼的视见函数影响后的光谱辐射功率大小的物理量。
光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量,称为光通量
国际单位制中规定,光通量的符号是Φ,单位为流明(lm)。
(lm= cd•sr)
对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明,在较明亮环境中人的视觉对波长
为555nm左右的黄、绿色光最敏感,这种人眼对各波长光谱敏感程度不同的性质
可以由视见函数V(λ)表示。
当波长为555nm的黄、绿光的辐射功率为1W时,人
眼感觉量为683lm,可见1lm就相当于波长为555nm的单色辐射功率1/683W时的
光通量。
物理表达式:
式中K=683lm/W
什么是发光强度?
发光强度(Luminousintensity),简称光强。
用于表示光源给定方向上单位立
体角内发光强弱程度的物理量。
光源在空间某一特定方向上单位立体角内(每球面度)辐射的光通量空间刻度
称为光源在该方向上的发光强度(简称光强)
国际单位制中规定,发光强度的符号是I,单位为坎德拉(cd),(cd=lm/sr)
坎德拉是发出540x1012Hz频率(即波长555nm)的单色辐射源在给定方向上的发
光强度,该方向上的辐射强度为1/683W/sr。
物理表达式:
式中:
Φ:
光通量,Ω:
立体角
我们知道,光源发出的光线是向空间各个方向辐射的,因此,必须用立体角度作
为空间光束的量度单位计算光通量的密度。
球面上的某块面积对球心形成的角称
为立体角。
立体角的单位为“球面度”(sr),即以r为半径做一圆球,若锥面在圆
球上截出的面积S即是r2,则该立体角即为一个单位立体角,称为“球面度”(sr)。
以极坐标来表示光源在各个方向上发光强度的曲线,称为该光源的配光曲线。
什么是照度?
照度(illuminance)是每单位面积所接收到的光通量。
投射到被照面上的光通量与被照面的面积之比称为该面的照度
国际单位制中,单位是勒克斯(lx=lux),1(勒克斯)=1(流明/平方米)。
物理表达式:
E=Ø/S
一些日常的代表性照度:
烈日下的地面100,000lux
阴天下的地面8,000lux
绘图600lux
阅读500lux
夜间棒球场400lux
办公室、教室300lux
路灯下的地面5lux
满月下的地面0.2lux
星光下的地面0.0003lux
什么是亮度?
亮度是表示人对发光体或被照射物体表面的发光或反射光强度实际感受的物理量
发光体在视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度。
国际单位制中规定,亮度的符号是L,单位为尼特(nits)。
(nit= cd/m²)
物理表达式:
式中:
Φ:
光通量Ω:
立体角θ:
给定方向与单位面积元ds法线方向的夹角
亮度与照度的关系是:
L=R×E
式中R是反射系数。
这说明了被照物体表面的照度并不能直接表达人眼对它的视觉感觉。
亮度是表明
光源光亮程度的参数,L愈大愈亮。
但能否看清物体不完全取决于亮度。
如果发
光面的亮度过大,感到刺眼,也看不清物体。
所以,通常不规定被照面的亮度应
达到什么标准,而是规定照度大小应达到怎样的标准。
什么是发光效率?
发光效率(光源的光视效能)是一个光源的参数。
它是光通量与功率的比值,此功率指的是光源输出的辐射通量时,叫辐射发光效
能,或者是提供光源的电能时,称为电光源的发光效率。
单位是lm/W。
对于人眼最敏感的555nm的黄绿光,1W=683lm,也就是说,1W的功率全部转
换成波长为555nm的光,为683流明。
这个是最大的光转换效率,是定标值。
另外一种表示效率的方法是:
选择最大的效率683 lm/W,作为发光效率100%的
标准。
类型
辐射的发光效能(lm/W)
发光效率
M级恒星(心大星),3000K
30
4%
理想的黑体4000K
47.5
7%
G级恒星(太阳),5800K
80
12%
理想黑体7000K
95
14%
理想黑体5800K,压缩至400-700nm(理想“白光”)
251
37%
理想的单色555nm光源
683
100%
什么是色温?
光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。
热黑体辐射体
与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温,它直接和普朗克黑体
辐射定律相联系。
光色系的应用:
暖色光:
暖色光色温在3300K以下,与白炽灯接近,能给人以温暖、健康、舒适
的感觉,用于家庭、住宅、宿舍、宾馆等。
白色光:
又叫中性色,色温在3300-5300K,光线柔和,使人有愉悦、爽快、安
祥的感觉,用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等。
冷色光:
又叫日光色,色温在5300K以上,接近自然光,有明亮、冷的感觉,使
人精力集中,用于办公室、会议室、教室、绘图室、阅览室、设计室等
什么是相关色温?
色温CT-colourtemperature
当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度就
称为该光源的色温,用绝对温度K(kelvim)表示。
黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的,所以白炽灯一类的热辐射光源的光谱功
率分布与黑体在可见区的光谱功率分布比较接近,都是连续光谱,用色温的概念
完全可以描述这类光源的颜色特性。
相关色温CCT-correlatedcolourtemperature
当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时,黑体的温度就
称为该光源的相关色温,单位为K。
由于气体放电光源一般为非连续光谱,与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合,所
以都采用相关色温来近似描述其颜色特性。
什么是显色指数?
显色指数(Ra)colourrenderingindex
太阳光和白炽灯均辐射连续光谱,在可见光的波长(380nm-760nm)范围内,包含
着红、橙、黄、绿、青、兰、紫等各种色光。
物体在太阳光和白炽灯的照射下,
显示出它的真实颜色,但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下,颜色就会
有不同程度的失真。
我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性。
为了对光源的显色性进行定量的评价,引入显色指数的概念。
以标准光源为准将
其显色指数定为100,其余光源的显色指数均低于100。
显色指数用Ra表示,
Ra值越大,光源的显色性越好。
人类的照明
自然界的照明:
太阳光
燃烧:
电石灯、蜡烛、煤气灯、煤油灯、石灰光灯、油灯、安全灯、煤油气灯、
灯笼、火炬
电致发光:
白热型:
电灯泡、卤素灯泡、密闭聚束灯(PAR灯)
荧光灯:
日光灯管、节能灯、无极灯(感应灯)
气体放电灯:
高强度气体放电灯(HID)、水银灯、金卤灯、钠灯、霓虹灯(氖灯)
电弧:
弧光灯、汞弧灯、氙灯
其他类型:
微波硫灯、固态照明(发光二极管)、光导纤维、等离子灯、化学发光、
电致发光纤维线
白炽灯
(一)
电灯泡或称电球,其准确技术名称为白炽灯,
是一种透过通电,利用电阻把幼细丝线(现
代通常为钨丝)加热至白炽,用来发光的灯。
电灯泡外围由玻璃制造,把灯丝保持在真空,
或低压的惰性气体之下,作用是防止灯丝在
高温之下氧化。
电灯泡的最大问题是灯丝的升华。
因为钨丝
上细微的电阻差别造成温度不一,在电阻较
大的地方,温度升得较高,钨丝亦升华得较
快,于是造成钨丝变细,电阻进一步增大的
循环;最终令钨丝烧断。
后来发现以惰性气
体代替真空可以减慢钨丝的升华。
今天多数
的电灯泡内都是注入氮、氩或氪气。
现代的白炽灯一般寿命为1,000小时左右。
白炽灯
(二)
白炽灯的构造:
1、电灯泡外形轮廓
2、低压惰性气体
3、灯丝,钨丝
4、细金属线(连接至灯头尖端)
5、细金属线(连接至铜片)
6、支撑金属线
7、支撑棒
8、细金属线
9、铜片
10、绝缘体
11、灯头尖端
白炽灯(三)
卤素灯泡(Halogenlamp),亦称钨卤灯
泡,是白炽灯的一种。
原理是在灯泡内注
入碘或溴等卤素气体。
在高温下,蒸发的
钨丝与卤素进行化学作用,蒸发的钨会重
新凝固在钨丝上,形成平衡的循环,避免
钨丝过早断裂。
因此卤素灯泡比白炽灯更
长寿。
此外,卤素灯泡亦能以比一般白炽
灯更高的温度运作,它们的亮度及效率亦
更高。
不过在这温度下,普通玻璃可能会
软化。
因此卤素灯泡需要采用熔点更高的
熔凝石英或硬的玻璃。
而由于石英玻璃不
能阻隔紫外线,故此卤素灯泡通常都而需要另外使用紫外线滤镜。
卤素灯泡上的水晶玻璃如果有油,会造成玻璃上温度不一,减低灯泡的寿命。
因
此换卤素灯泡时要避免人手触及灯泡的玻璃。
如果手指摸到应以酒精清洁。
白炽灯(四)
白炽灯的种类:
型式
光源效率
(lm/W)
平均寿命
(小时)
特性
使用范围
普通灯泡
Normalincande
scentlamps
8-18
1000
安装和使用容易、
立即可以启动、
成本低
住宅照明
反射灯泡
Reflector
lamps
8-18
1000
可以做聚光投射
重点照明
卤素灯
Halogen
lamps
12-24
2000-3000
体积小、亮度高、
光色白、安装易、
寿命较长
商业照明
白炽灯(五)
由于大部分白炽灯会把消耗能量中的90%转化成无用的热能,只少于10%的能量
会转换成为光。
因此,许多国家已经制定了淘汰白炽灯的时间表:
爱尔兰2009年初
澳大利亚、阿根廷、意大利2010年
法国宣称2010年但无进一步信息
英国2010年零售商不再出售
荷兰自愿2011年
台湾、加拿大、欧盟2012年
美国2014年
中国2017年
荧光灯
(一)
荧光灯,或称日光灯、光管、荧光管,
是一种照明装置,属于弧光灯的一种。
它使电力在氩或氖气中激发水银蒸气,
形成等离子并发出短波紫外线,紫外线
被磷质吸收后,磷会发出可见的光以照
明,这样发出可见光的方式属于荧光。
一般的荧光管以玻璃制造,在两端装有
插口以连接电源及固定荧光管的位置。
与白炽灯不同,荧光管必须设有镇流器
与启辉器配合产生让气体发生电离的瞬
间高压。
一些新型的荧光灯,采用与传统荧光灯
不同的电离方法,不必使用镇流器和启辉器,大大节省电能并缩小体积,令它可
以使用在传统灯泡的灯头插座上,又称“节能灯”或“悭电胆”。
荧光灯
(二)
荧光灯的发光原理:
荧光管内充满了低压氩气或氩氖混合气体及水银蒸气,而在玻璃荧光管的内侧表
面,则涂上一层磷质荧光漆,在灯管的两端设有由钨制成的灯丝线圈。
当电源接
通后,首先电流通过灯丝加热并释放出电子,电子会把管内气体变成等离子
(plasma),并令管内电流加大,当两组灯丝间的电压超过一定值之后灯管开始产
生放电,使水银蒸气发放出253.7nm及185nm波长的紫外线,荧光管内侧表面的
磷质荧光漆会吸收紫外线,并释放出较长波长的可见光。
发出的光线颜色由磷质
成份的比例控制,而玻璃管则避免有害的紫外线及其他有害物质如水银泄漏出来。
日光灯的规格:
日光灯管如果照直径来分类,可分成T2、T3.5、T4、T5、T6、T8、T9、T10、
T12等规格,所谓的T5就是直径为5/8英吋(约16毫米)的日光灯管;T8直径为1英
吋(约25毫米);T9直径为9/8英吋(约29毫米)的日光灯管。
目前全世界的主流为
T5、T6和T8。
荧光灯(三)
荧光管的放电电流与导通电阻之间
存在一个正反馈关系:
当更多电流
流进荧光管后使得更多气体被离子
化,使得管内的导通电阻不断降低,
如此便会令更多电流入荧光管内。
如果将荧光管直接接到固定电压的
电源,荧光管将会因电流不断上升
而很快被烧毁,因此需要以一个辅
助电路控制进入荧光管的电流在一固定水平,而这个电流控制电路通常被称为镇
流器。
镇流器实际上是一个电感,当导通电阻降到很低的时候,镇流器固定的感
抗和铜耗使导通电流近似于定值,开始稳定工作。
传统镇流器需搭配一个称为启
辉器(Starter,俗称“士达他”、“跳泡”)的小元件才能使灯丝间的压差达到使荧光管
足以放电的程度,最新的电子式镇流器则不需要启辉器,因为启动工作已被包含
在镇流器内。
荧光灯(四)
中国大陆称为节能灯泡,台湾称为省电灯
泡,或称电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体
式荧光灯,港澳地区粤语称悭电胆,是指
将荧光灯与镇流器组合成一个整体的照明
设备。
节能灯的的尺寸与白炽灯相近,其
灯座的接口也和白炽灯相同,所以可以直
接替换白炽灯。
高强度气体放电灯泡
(一)
高强度气体放电(High-intensitydischarge,简称HID)
灯泡包含了下列这些种类的电灯:
水银灯、金属卤化灯
(也称作HQI)、高压钠灯、低压钠灯、高压水银灯,以
及较少见的短弧氙气灯(见右图)。
这些灯泡种类的发光
元件是一颗置于耐高温灯管(弧光管)内安定的电弧放电
器,并有超过3W/cm²(19.4W/in.²)的发光能力。
HID灯借着特殊设计、内部布涂石英或铝的灯管,并透过两端钨电极打出来的加
压电弧,通过灯管后而发出光线。
这些灯管内充满了气体和金属。
气体帮助灯泡
启动,而金属加热达到蒸发点,形成等离子态后而发出光线。
HID灯的种类包括:
水银灯(CRI范围15-55)
金属卤化灯(CRI范围65-80,陶瓷卤化灯则可达90多)
低压钠灯(CRI0,因其单色光)
高压钠灯(CRI范围22-75)
高强度气体放电灯泡
(二)
型式
光源效率
(lm/W)
平均寿命
(小时)
特性
使用范围
高压水银灯泡
40-61
1000-12000
效率高、寿命长、适当的演色性
住宅区、运动场、
工厂
免用安定器
水银灯泡
40-61
6000
效率高、寿命长、演色性假、易安装
小型工厂、
植栽照明
金属卤化物
灯泡
66-108
4000-10000
效率高、寿命长、适当的演色性
运动场、工业、
道路、植栽照明
高压钠气
灯泡
68-150
8000-10000
效率高、寿命长、光输出稳定
道路、隧道、
工业、植栽照明
低压钠气
灯泡
99-203
12000
效率高、寿命长、明视度高、演色性差
不注重颜色,要求节能及效率
金属卤化物灯泡
金属卤化物灯(Metalhalidelamp)是
一种高强度气体放电灯,它的亮度
很高,使得它成为一种稳定、强效的
光源。
它在水银蒸气中加入稀土金属
卤化物盐,加强了亮度,也改善了颜
色。
它在1960年被发明,通常在高温
高压下运作,因此要特别注意它的安
全性。
与其他气体放电灯相同,金属卤化物
灯也使用类似的汞蒸气,利用电弧通
过混合的气体,来产生照明。
钠灯
钠灯,是指以金属钠蒸气为工作物质的照明装置。
钠灯的灯管内也会充填汞和稀
有气体,但实际上起作用的是钠蒸气。
钠被电离、激发后会发射出589nm的黄色
光线,这些光线直接用于照明,而不是像荧光灯那样激发荧光物质发出白色的可
见光。
根据填充的纳蒸气的压力,钠灯又可分为高压钠灯和低压钠灯(见下图)。
前者光线的谱线更宽,这是因为灯管中的气体密度更高,原子和电子之间相互碰
撞导致能量传递。
钠灯亮度高,通常用于街道、舞台等场合的照明。
LED是什么?
LED指发光二极管(LightEmittingDiode),是一种能够将电能转化为可见光的
固态半导体器件。
发光二极管由半导体芯片组成,这些半导体材料
会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。
与其它二极管一样,发光二极管中电流可以轻易
地从p极(阳极)流向n极(负极),而相反方向
则不能。
两种不同的载流子:
空穴和电子在不同
的电极电压作用下从电极流向p、n架构。
当空穴
和电子相遇而产生复合,电子会跌落到较低的能
阶,同时以光子的模式释放出能量。
由于没有谐
振腔,不会产生光反馈,因此LED发出的光是荧
光。
LED的颜色是由什么决定的?
LED的颜色是由它所发出的光的波长决定,而波长是由组成p、n架构的半导体材
料的禁带能量决定。
以下是LED的无机半导体材料及发光颜色:
颜色λ波长nm正向偏压V半导体
红外线>760<1.9砷化镓,铝砷化镓
红█760-6101.63-2.03铝砷化镓,磷砷化镓
橙█610-5902.03-2.10磷砷化镓,磷化铟钾铝
黄█590-5702.10-2.18磷砷化镓,磷化铟钾铝
绿█570-5002.18-4.00铟氮化镓,氮化镓
蓝█500-4502.48-3.70硒化锌,铟氮化镓
紫█450-3802.76-4.00铟氮化镓
紫外线<3803.10-4.40碳,氮化铝
什么是白光LED?
LED本身是单色光源,而自然界的白光(阳光)的光谱是阔频带的,所以LED本
身不可能做到发出白光。
所谓白光LED是通过发出三源色的单色光(蓝、绿、红)或以萤光剂把LED发出
的单色光转化,使整体光谱含有三源色的光谱,刺激人眼感光细胞,使人有看见
白光的感觉。
当白光LED制造出来后,LED开始进入照明领域。
白光LED是怎么制造的?
单芯片:
InGaN(蓝)/YAG荧光粉
这是一种目前较为成熟的产品,这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散
热效果。
荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍。
实验证明,电流和温
度的增加使LED光谱有些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大。
寿命实验结果
也较好。
双芯片:
(蓝+黄)LED、(蓝+黄绿)LED以及(蓝绿+黄)LED制成
此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能
在显色性要求不高的场合使用。
三芯片:
(蓝色+绿色+红色)LED
这样产生的白光LED有较广的色域,而且效率较其他方法高,不过成本相当高。
四芯片:
(蓝色+绿色+红色+黄色)LED
LED的优点是什么?
在低光度下能量转换效率高(电能转换成光能的效率)-也即较省电,非常适合在低光度(如手提电话的背光)需求中使用。
当光度提高到非极小范围照明用途时(如台头灯),LED的效率虽然比钨丝灯泡高,但仍比荧光灯(俗称光管或日光灯管)差。
反应(开关)时间快-可以达到很高的闪烁频率。
使用寿命长-在适当的散热和应用环境下可达35,000~50,000小时,相对萤光灯为10,000~15,000小时,白炽灯为1,000~2,000小时。
耐震荡等机械冲击-由于是固态元件,没有灯丝,相对萤光灯、白炽灯等能承受更大震荡。
体积小-其本身体积可以造得非常细小(小于2mm)。
便于聚焦-因发光体积细小,而易于以透镜等方式达致所需集散程度,藉改变其封装外形,其发光角度由大角度散射至细角度聚焦都可以达成。
单色性强-由于是单一能级光出的光子,波长比较单一(相对大部份人工光源而言),能在不加滤光器下提供多种单纯的颜色。
色域略较广阔-白色LED覆盖色域较其他白色光源广。
冷光束-LED光束本身不包含红外线或者紫外线,对注重保护被照对象的场合,如博物馆展品的照明应用最适合。
LED的缺点是什么?
高光度下效率较低,在一般照明用途上仍比荧光灯耗电,有些LED灯甚至比省电灯泡耗电。
有些设计使用多枚LED,使得LED可以工作在较低光度,从而增加效率,却使成本大为提高,售价难以降低。
受高温影响:
LED在高温下能量转换效率会急速下降,变得浪费电力之余也产生更多热,令温度进一步上升,形成恶性循环,同时缩短寿命。
如果散热不佳会大幅缩短寿命、增加耗电。
LED光度由电流控制,光度调节略为复杂。
起始成本较高。
因LED为光源点细小与分布较集中,作照明用途时光源过于集中、刺眼,须运用光学设计分散光源。
演色性仍待加强。
(传统灯泡、卤素灯演色性极佳,而萤光灯管容易找到高演色性的产品;演色性低的光源照明不但会有颜色不正常的感觉,对视力及健康也有害)
即使是同一批次的单颗LED与LED之间也存在着光通量,颜色和正向电压的差别一致性差。
LED与白炽灯、荧光灯的对比
指标
白炽灯
荧光灯
LED
能量转换效率
5%
20%
40%
极限发光效率
15-20Lm/W
150Lm/W
300Lm/W
寿命
1000小时
10000小时
50000-100000小时
特点
显色性好,发光效率低,寿命短,电压高,不安全,易碎不牢固
显色性差,发光效率高,易碎不牢固,频闪对人有害,含汞污染环境
色彩丰富可调,高效节能,寿命长,低电压,安全性高,牢固,耐震动冲击,体积小,重量轻,响应时间短,环保无污染
LED的主要应用领域
作为新一代的“固态发光器件”,LED的应用领域主要包括:
电子、电器、计算机
、通讯、显示设备、商业、体育、舞台、广告、交通、工程、装饰、家居等等。
其主要应用形式有:
1、发光、指示器件;
2、背光源;
3、LED显示屏;
4、照明;
LED的极性是什么?
LED与没有极性的白炽灯不同,只能在正向电流
流过时才能发光,当接上正向电压时会有较大的
电流流过,称之为顺向偏压。
若接上反向电压,
电流会相当细(微安—μA级),称为逆向偏压,
并且不发光。
所以当LED接上交流电压时,只有
正向电压能使它被点亮,这会导致LED以该交流
电的频率闪烁,要注意LED能承受的反向电压比
一般二极管低,反向电压过高会使LED永久损坏。
LED的电流特性
(一)
LED的正向电流与加在
LED上的正向电压是相
关联的,如右图所示。
在“门限”电压(此处是
3V)以下,正向电流很小
,LED基本上是不发光
的。
正向电压高于3V,
LED开始发光,而且正
向电流随着正向电压的
增加而急剧地增加,当
正向电压达到极限值4V
时,正向电流也达到极
限值(此处是1250mA)。
一般地,我们设计LED要工作在额定电压(3.
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- LED 照明 技术 30