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LED节能技术综述

时间:2022年01月17日

LED节能技术综述

LED节能技术综述 2011: 一、LED简介

LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片,芯片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个芯片被环氧树脂封装起来,能起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。

上个世纪60年代,科技工作者利用半导体PN结发光的原理,研制成了LED发光二极管。当时研制的LED,所用的材料是GaASP,其发光颜色为红色。经过近30年的发展,现在大家十分熟悉的LED,已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。

LED最初用作仪器仪表的指示灯,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年白光的LED开发成功。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),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。

现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,因此运用最多。

LED的内在特征包括:

1.体积小:LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻;

2.耗电量低:LED耗电非常低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说:它消耗的电不超过0.1W;

3.使用寿命长:在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时;

4.高亮度、低热量;

5.环保:LED是由无毒的材料制成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用;

6.坚固耐用:LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分,这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

这些特点决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,有着广泛的用途。LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点,虽然价格较现有照明器材昂贵,仍被认为是它将不可避免地替代现有照明器件。

二、白光LED

照明用的白色光LED在近几年才发展起来,白光LED有以下一些特点。

1. 可见光的光谱和LED白光的关系

众所周之,可见光光谱的波长范围为380nm-760nm,是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,但这七种颜色的光都各自是一种单色光。例如LED发的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的,因为白光不是单色光,而是由多种单色光合成的复合光,正如太阳光是由七种单色光合成的白色光,而彩色电视机中的白色光也是由三基色红、绿、蓝合成。由此可见,要使LED发出白光,它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围。但要制造这种性能的LED,在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究,人眼睛所能见的白光,至少需两种光的混合,即二波长发光(蓝色光+黄色光)或三波长发光(蓝色光+绿色光+红色光)的模式。上述两种模式的白光,都需要蓝色光,所以摄取蓝色光已成为制造白光的关键技术,即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家,比如日本的日亚化学、日本的丰田合成、美国的CREE、德国的欧司朗等,所以白光LED的推广应用,尤其是高亮度白光LED在我国的推广还有一个过程。

2. 白光LED的工艺结构和白色光源

对于一般照明,在工艺结构上,白光LED通常采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光;第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白光的系统如图1所示,图中LEDGaM芯片发蓝光(λp=465NM),它和YAG(钇铝石榴石)荧光粉封装在一起,当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光,结果,蓝光和黄光混合形成白光。第二种方法采用不同色光的芯片封装在一起,通过各色光混合而产生白光。

3. 白光LED照明新光源的应用前景

为了说明白光LED的特点,先看看目前所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯,其光效为12-24流明/瓦;荧光灯和HID灯的光效为50-120流明/瓦。对白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已达到15流明/瓦,这一指标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25流明/瓦,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测,到2005年,LED的光效可达50流明/瓦,如凯帝光电科技生产的1W白灯就已经达到60流明/瓦,到2015年时,LED的光效可望达到150-200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流就可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源,将成可能的现实。

普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电),寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长(连续工作时间100000小时以上),几乎无需维护。目前,德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来,白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

三、照明级LED

随着LED的技术进步与效率提升,LED应用领域逐渐由背光以及指示灯用途开始跨入照明领域。为了解决光与热的问题,各家LED厂商从芯片到封装,甚至到灯具灯饰都有各自的解决方案。

目前灯泡型式的LED灯具灯饰采用的光源多半为单晶、多晶封装的高功率LED、ACLED等。单晶封装的高功率LED,普遍用在MR16、LED投射灯等光源集中、指向性强的照明产品。而10W以上取代省电灯泡的LED灯泡则是采用多颗封装的高功率LED当作光源。ACLED,受限于ACLED芯片的技术瓶颈,目前普遍还是10W以下取代白炽灯的LED灯泡居多。至于灯条型式的照明灯具,现阶段厂商多半采用小功率多晶封装形式,也有厂商采取高功率多晶封装形式。

与传统灯具光源成本比较,现阶段LED的$/Lm大约在USD0.01-0.02左右。由于LED价格经过去年的大幅度下跌,因此相较于传统省电灯泡的价差由去年的5-10倍缩小至2-4倍,这也是今年以来LED照明逐渐加温的原因之一。

不过由于传统灯具市场非常成熟,因此传统灯具的亮度与价格并不会呈现同比例变化,但是LED却不相同。由于LED为半导体组件,价格与亮度会呈现同比例增加。在价格考虑上,目前还是以10W以下的LED灯泡的渗透率最高。至于LED灯条的部分,由于产品价格相较传统灯管价差高达20倍以上,目前还是以商用空间或是政府标案才有机会导入。

四、我国半导体照明现状

2003年,我国国家半导体照明工程开始启动,在科技部和LED照明行业有关部门和专家的参与下,我国在2003年底对LED照明的标准化工作进行了总体规划,截至2008年底,这项工作取得了很大进展:全国照明电器标准化委员会12项关于LED照明的标准通过了基本的审定,工业和信息化部LED照明标准工作组7项LED标准通过基本的审定,但是这些国家标准出台的具体时间仍未确定。

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