LED照明基础知识和节能优势

LED基础知识和照明优势什么是LED？Lightemittingdiode(发光二极管)的缩写，是一块电致发光的半导体材料。其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。LED的结构LED主要由一下几个部分构成：芯片（作用：光源发光）支架：包括衬底及散热基座、引脚等（作用：散热、导电）金线（作用：导电）透明树脂（作用：保护晶粒、透光）大功率集成封装芯片现有的LED封装技术已从单晶的LED光源发展出多晶封装的产品（其他说法叫集成芯片）。多晶封装的LED光源每块流明输出可达2000Lm。LED的发光原理LED主要由带PN结结构的固体半导体（芯片）、电极和光学系统组成。外部电源给P/N结两端加以正向电压，使电流从P区流入N区，N区不断注入电子，P区则不断注入正电荷，当电子和电荷的能量达到一定值时，P/N结处的电子与电荷便产生跨越，此时，电子与空穴相结合，在结合的过程中产生大量的能量，而这些能量以光的形式释放出来，即为LED发光原理。LED的光色LED发出什么颜色的光，取决于芯片PN结使用的材料，不同的材料PN结间的带隙，带隙越大，电子和空穴复合所产生的光子能量就越大。光子的能量与光的颜色是相对的。在可见光的光谱范围内，蓝色光、紫色光的能量最多，橘色光、红色光携带的能量最少。人们通过对PN结不同材料的应用，得到不同光色的LED，下表是不同光色LEd对应使用的材料：发光颜色使用材料普通红磷化镓（GaP）高亮度红磷砷镓普通绿、黄绿磷化镓高亮绿镓铟铝磷普通黄、橙磷砷镓蓝氮化镓紫氮化镓白氮化镓+荧光粉红外砷化镓常见的芯片颜色：常见芯片的颜色有三种，红色、绿色（可细分为黄绿、标准绿和纯绿）、蓝色，成为三基色（RGB）.发光二极管中将一种或者几种颜色的芯片封装在一起。白光LED的形成：第一种方式利用RGB三基色混合成白光。这种方式是利用红、绿、蓝三种LED芯片组合，封装在一个二极管中，按照红光、绿光、蓝光分别是21%、69%、10%的比例，混合成人眼看到的纯白色光。只要通过各色芯片的电流稳定、散热较好，那么这种方法产生的白光比上述产生的白光稳定且制作简单。但是，由于红、绿、蓝的技术无法达到全色谱的效果，所以一般不采用该方法获得。第二种方式利用荧光粉实现白光，此方式有三种实现方法，其中主流的方法是：在LED蓝光芯片上涂覆钇铝石榴石荧光粉（黄色荧光粉）合成白光。目前主要的做法是以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射此一荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。这是目前最主流的白光LED应用技术。LED彩色光的形成：将R\G\W各单色芯片排列在一起，通过控制各种单色芯片的发光比例，将各种单色光混合在一起，并结合荧光粉合成人们所需要的各种光色。LED照明的关键指标——结温、光效、色温、寿命结温结温是指芯片PN结的平均温度，用Tj表示，即半导体芯片工作时结点区温度。包括芯片本身允许本身允许最大结点工作温度和LED工作时芯片的实际结点工作温度两方面。LED结温的控制直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和照明器件应用设计必须着重解决的核心问题。LED光效LED的实际光效会随着结点温度的升高而降低。LED的色温LED芯片发光的色温会随着结点温度的变化而发生变化。LED的寿命LED芯片的实际工作结点温度越高，超出芯片的最大工作结温时，寿命将急速下降。LED的散热解决散热问题是LED照明产品设计的核心内容。关于热阻热阻是反应导热材料热量传递能力的综合参量。单位：℃/W，即物体物体维持传热功率为1W时，导热路径两端的温差。不通材料，导热能力有所差异，每种材料都有它自身的导热系数，导热系数越高，导热能力就越强。LED的总热阻是芯片内外各层的热阻之和。总热阻除了与各层的导热系数有关外，还取决于各层间结合的紧密程度。如果层与层之间结合得不够紧密的话，热传导就会受阻。LED的散热散热面积热阻同时还与散热面积有关——散热面积越大，散热就越好。对流换热原理LED照明产品的散热器件通过合理科学的结构设计，运用对流换热的原理，可加速LED光源的散热。对流换热就是利用“烟囱效应”的热空气对流原理，加速LED光源产品的散热，降低LED光源的工作温度，实践证明，采用该技术的LED光源工作性能更加稳定。“烟囱效应”：户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降，造成空气加强对流的现象，成为烟囱效应。烟囱效应的产生，在有共享中庭、竖向通风管道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部既有畅通的流通空间的建筑物、构建体中，空气靠密度差的作用，沿着通道快速进行扩散或排出的现象，即为烟囱效应。烟囱效应原理就是气压原理的延伸。LED照明优势节能光效高随着白光LED光效的不断提高，LED的应用已不仅仅能满足装饰照明，它的应用已经延伸至室内的功能照明。目前业内公布的白光LED光效，实验室的数据是231lm/w。比如卤素灯杯，如果我们用LED灯杯来替换的话，能省电80%；如果是灯泡，就能省电90%；如果是T8荧光灯直管，也可省电60%；而对于在暗藏照明方面应用得最广泛的T5荧光灯管，如果我们用软灯带来替换的话，则可以省电40%。光的利用率更高LED对光的利用率比传统的光源更高。从图片上可以看出，LED光源可以使光的利用率达到100%，而传统光源的光是向四周发射的，光源的上面或者后面照射出去的光并没有被完全利用，造成了光的浪费。比如灯杯，只有大概67%的光是可用的，其余的33%是被浪费掉了，也就是一个20W的灯杯，总光通量350lm实际上只有235lm被真正的利用。同样的，对于荧光灯来说，有一半的光是往上的，然后被灯具的反射罩反射回来，这个过程，会有30%左右的光是损耗掉了，而LED直管，发光角度设计为120-140度，100%的光输出都得到有效的利用。冷光源，可节省空调能耗LED灯具由于LED光源中无红外辐射，热量低，对环境温度几乎没有影响，加上自身的功耗低，如果在酒店、商业场所等大面积应用的场所使用，替换卤素射灯等发热量大的光源，可大大降低空调运行负荷，降低空调费用的同时也节省了照明用电，节能效果明显。以下是三雄极光实验室做的对比测试结果：实验地点：三雄极光LED研发中心实验室面积：约10平方米灯具：三雄极光50W卤素天花射灯三雄极光12WLED天花射灯测试第一天测试对象：三雄极光50W卤素天花射灯时间室内温度备注7月12日9：3028.6℃完全封闭环境，未点灯，无任何人工热源7月12日14：3037.5℃点燃10盏卤素射灯，连续点燃15小时环境温度上升8.9℃7月12日9：3043.3℃一直点燃10盏卤素射灯，连续点燃24小时环境温度上升14.7℃备注：测试完毕时，卤素灯杯的温度为311℃。测试第二天熄灭所有测试光源，打开实验室门窗，透风透气一天。测试第三天测试对象：三雄极光12WLED天花射灯时间室内温度备注7月14日9：3028.8℃完全封闭环境，未点灯，无任何人工热源7月14日14：3029.3℃点燃10盏LED天花射灯，连续点燃15小时环境温度上升0.5℃7月15日9：3029.7℃一直点燃10盏LED天花射灯，连续点燃24小时环境温度上升0.9℃备注：测试完毕时，LED天花射灯的温度为63℃。实验结论：两个灯具分别经过24小时的测试，50W卤素射灯使室内温度升高了14.7℃，而12WLED天花射灯仅升高了0.9℃。事实说明，LED光源的红外线辐射极少，对环境温度影响极小，可有效降低空调复合，从整体上节约制冷系统用电成本。案例分析LED能为用户创造多少价值，我们来看看以下案例：基本情况：某酒店公共部分使用2000盏20W卤素MR16天花射灯，与使用4WLEDMR16对比。项目卤素MR16LEDMR16备注光源功耗(W)204耗电量变压器功耗（W）22单套灯具功耗（W）226光源数量2，0002，000总功耗（W）44，00012，000每年耗电量（KWH）38，5440105，120按每天开灯24小时算节电率73%电费每年电费支出（元）327，62489，352按0.85元/度计算每年节约电费（元）238，272维护费用每年更换光源费用（元）30，0000按卤素MR16寿命3000h,每年更换3次，LEDMR16寿命30000h计算每年人工费用（元）18，0000按更换一个光源3元计算每年维护总费用（元）48，0000每年节约维护费用（元）48，000投资回报分析投入费用（元）10，000180，000仅计算光源，灯架和变压器未计算在内每年总节约（元）286，272投资回报期（年）0.597个多月每年净收益约7个月后，从第8个月开始，每年可以节省286，272元结论：LED节能改造投资回报期约为7个月，投入使用7个月后每年节省电费23.8万元，投资回报率可观。LED筒灯与荧光类筒灯对比表格LED筒灯光通量利用率荧光类筒灯光通量利用率7W470lm100%13W700lm65%12W880lm100%2*10W1200lm65%15W1200lm100%2*13W1700lm65%18W2100lm100%2*18W2350lm65%最终灯光利用计算7W470lm13W455lm12W870lm2*10W780lm15W1100lm2*13W1105lm18W2100lm2*18W1528lm以上数据显示LED筒灯能替代荧光类筒灯电费对比比较项目荧光类筒灯LED筒灯说明使用灯具13W荧光灯（1000套）7WLED一年电费（1元/度）10h/天*13W*1000套*365天/1000*1元=47450元10h/天*7W*1000套*365天/1000*1元=25550元每年省电费21900元使用灯具2*10W荧光灯（1000套）12WLED一年电费（1元/度）10h/天*2*10W*1000套*365天/1000*1元=73000元10h/天*12W*1000套*365天/1000*1元=43800元每年省电费29200元使用灯具2*13W荧光灯（1000套）15LED一年电费（1元/度）10h/天*2*13W*1000套*365天/1000*1元=94900元10h/天*15W*1000套*365天/1000*1元=54750元每年省电费40150元使用灯具2*18W荧光灯（1000套）18WLED一年电费（1元/度）10h/天*2*18W*1000套*365天/1000*1元=131400元10h/天*18W*1000套*365天/1000*1元=65700元每年省电费65700元LED-T8直管与T8普通荧光灯对比表格LED-T8管光通量利用率T8普通荧光灯光通量利用率21W1900lm100%36W2250lm75%最终灯光利用计算21W1900lm36W1688lm以上数据显示LED21W可替代36W普通荧光灯管电费对比比较项目T8普通荧光灯管LED-T8直管说明使用灯具36W卤粉管（1000套）21WLED一年电费（1元/度）10h/天*36W*1000套*365天/1000*1元=131400元10h/天*21W*1000套*365天/1000*1元=76650元每年省电费54750元LED-T8直管与T5三基色荧光灯对比表格LED-T8管光通量利用率T5三基色荧光灯光通量利用率21W1950lm100%28W2600lm75%最终灯光利用计算21W1950lm28W1950lm以上数据显示LED-21W可替代28W三基色T5管电费对比比较项目T5三基色荧光灯LED-T8直管说明使用灯具21W荧光灯（1000套）21WLED一年电费（1元/度）10h/天*28W*1000套*365天/1000*1元=102200元10h/天*21W*1000套*365天/1000*1元=76650元每年省电费25550元LED-面板灯与T8普通灯盘对比表格LED面板灯光通量利用率T8普通灯盘光通量利用率38W2700lm100%3*18W3375lm