LED灯及在住宅照明中的应用

LED灯及在住宅照明中的应用LED灯（LightEmittingDiode）1962年，美国通用电气公司的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，发光二极管的发光效率低，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会发展成实用的白色光源”。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，对我国的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的优势资源，通过产业集群协同创新，共同应对跨国公司的竞争成为国家及地方政府和企业家的核心问题。2.4.1LED灯的发光原理与特点最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是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，相应的发光效率约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GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。20世纪90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100lm/W，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50lm/W。图2-9为一款LED灯。图2-9LED灯1.LED光源的发光原理50多年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，LED的心脏是一个半导体的晶片，晶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的时候，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的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。白色LED灯几乎不含红外线与紫外成分，显色指数可达85，光输出随输入电压的变化基本上呈线性，因此调光方法简单，效果可靠。1996年9月发白光的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），高温烧结制成的含Ce3+的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3500K-10000K的各色白光。到2001年，美国的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灯的分类照明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的集成程度分类根据LED模块与驱动控制电路的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的整体。2）非自镇流LED模块是指不带驱动控制电路的LED模块。（2）根据LED模块与灯具的集成程度分类根据LED模块与灯具的集成程度，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的部件，与灯具集成在一起，形成了一个不可分割的整体。2）内置型是指LED模块作为灯具中一个可替换的部件，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光源的特点（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。在同样照明效果的情况下，耗电约为白炽灯的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的物质，其废弃物可回收，无污染，这是绿色光源的重要指标。（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的旋转运动，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个不同厂家的A19、G25、MR16、PAR20、PAR30每款灯都进行了三个样本的测试，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，在秋季进行的测试。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瓦的灯泡光效为50~55lm/W，大于10瓦的光效为55~70lm/W。G25样品，光效为35~55lm/W。MR16和PAR20LED样品的测试结果较好，被测试的8个PAR30样品光效在节能灯的上下浮动，光效为50~55lm/W。测试的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的主力产品，并且有力地拉动环保节能产业的高速发展。1.LED灯具的形式目前LED灯具中使用的最普遍形式主要有两类,一类是采用传统的灯具外壳,只是在灯具内,在一个几乎是平板的安装面(也是反光面)上,装上了矩阵式的LED,这种设计方式是不可能得到良好的灯具配光的。另一类是把多个LED集成在一个圆形的区域内，区域直径大约为30mm～40mm，再利用灯具反射器进行配光,但这种设计方式的灯具分布光度也不会优于传统的灯具,并且由于在一个很小的区域内集成了高密度的LED,使LED的散热情况明显不良,不仅影响到LED的发光效率,而且也往往影响到LED的使用寿命。反射器是一个重新分配光源光通量的器件，光源发出的光经反射器反射后，调整光线到预期方向，同时减少光损失和眩光。灯具常用反射材料的反射特性见表2-25。表2-25灯具常用反射材料的反射特性反射材料反射率（%）吸收率（%）特性镜面反射银90-928-10亮面或镜面材料。光线入射角等于反射角。铬63-6627-34铝40-5010-40不锈钢50-6040-50定向扩散反射铝（磨砂面、毛丝面）55-5842-45磨砂面或毛丝面材料，光线朝反射方向扩散。铝漆60-7030-40铬（毛丝面）45-5545-55亮面白漆60-8515-40漫反射白色塑料90-928-10亮度均匀的雾面，光线朝各个方向反射。雾面白漆70-9010-30照明用LED灯的最大特点是具有定向发射光的功能，因为目前功率型LED灯几乎都装有反射器，并且这种反射器的效率都明显高于灯具的反射器效率。另外，LED灯的光效检测时已经包括了自身反射器的效率。采用LED灯的道路灯具应尽可能地利用LED灯的定向发射光的特性,使道路灯具中的各个LED灯分别直接把光线射向被照路面的各个区域,再利用灯具反射器的辅助配光,来实现合理的道路灯具的综合配光。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标准的照度和照度均匀度要求,灯具内应包含三次配光的功能才能比较好地实现。而带反射器并且具有合理的光束输出角度的LED灯本身就具有良好的一次配光功能。在灯具内,能按照路灯灯具高度及路面宽度设计各个LED灯的安装位置和发射光的方向就能实现良好的二次配光功能。在此类灯具中的反射器,只作为辅助的三次配光手段,来保证道路照度更好的均匀度。由上海市照明学会组织的对山东省威海市次干道采用LED光源道路灯具的试验道路段的验收,这一试验道路的灯具及布局就是采用上述原理设计的,从现场的实测结果来看,这一试验路段正是充分利用了LED灯合适的定向发光功能,并采用了三次配光方式,不仅使次干道道路的照度和道路路面的照度均匀度达到了国家标准的要求,而且在灯具的主要照明方向上,也防止了此区域的局部的过度照明。由于充分利用了LED灯的特点,并用合理的配光方式充分地利用了LED灯的光输出,从而弥补了LED灯本身光效不如HID光源的不足,使整个道路单位面积在达到标准要求的前提下，其能耗仅为采用高压钠灯道路灯具的原照明设计的能耗的70%左右,取得了明显的节能效果。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)的限值。我国的道路照明节能认证的技术标准《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)的考核要求,其核心部分是在满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下尽可能地降低照明功率密度(单位为W/m2),从而达到节能的目的。上述采用LED灯的道路灯具的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)的要求,推行其道路照明节能工作,估计在不远的将来会有更多的国家按LED灯的要求推行其道路照明节能工作。在实际的照明灯具的设计中,可采用在基本设定每一个LED灯投射方向的前提下,把每一个LED灯用球形万向节固定在灯具上,当灯具使用于不同的高度和照射宽度时,可通过调整球形万向节使每一个LED灯的照射方向都达到满意的结果。在确定每一个LED灯的功率、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的功率,并且可以通过调整各LED灯的功率以及LED灯驱动电路，输出给每一个LED灯不同的功率，来使每一个LED灯的光输出都达到预计值。这些调整手段都是采用LED灯具所特有的，充分利用这些特点就能降低照明功率密度,达到节能的目的。2LED的散热工况和IP防护散热是LED灯要重点解决的问题。LED是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，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