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LED现代照明灯的(绿色)应用技术探讨
 LED技术在2010年上海世博会的广泛应用,已引起人们的高度关注。目前世界的能源紧张,寻找并解决未来世界的能源问题成为头等大事。自高亮度白光LED问世后,便以发光效率高、节电效果好、能耗低、安全、低热量、无污染、寿命长、经济性优等特点,不但应用于照明,还在军事产品以及其他科技产品上得到广泛应用。LED照明灯的使用寿命在8-10万小时左右,且在相同亮度的情况下,LED灯的耗电是白炽灯的1/8。由此可以预言:LED必将得到全球广泛的关注以及推广应用。现在,我国政府正大力推广高效节能产品,全面实行政府优先和强制采购节能产品制度。因此,探讨LED照明灯的应用技术很有必要。

1.引言

LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是现代声控、光控、时控多用途的现代新生产品元件,是现代发展领先产品,是现代未来的(绿色)新代元件产品。是一种可以直接把电转化为光的半导体器件。它依靠材料中的正负极电荷复合来发光。

LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的(绿色)新代元件产品用途。

2.LED性能特性:

2.1 节能安全(现代新能源将取代的元件)

LED使用低压电源,一般LED的工作电压是2-3.6V,工作电流是0.02-0.03A,电的耗电量不超过0.1W。是一种比使用高压电源用电更安全的电器。目前已开始使用在各种公共场所的指示电器上。

2.2 高亮度、低热量

量度可达传统灯泡亮度,并且更可调、可控的光源应用。耗电量是普通灯泡的30%左右,甚至比HID或白炽灯更少的热辐射。安全性能增加200%倍。

2.3 适用性强、体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻,适用于各种环境,它也可以应用在现代的军事以及科技产品上。

2.4 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。

2.5 性能稳定

能正常工作8-10万小时。

2.6 响应时间短

普通灯的响应时间为毫秒,而LED灯的响应时间为纳米级。

2.7 环保

LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染不含汞等有害物质,热量辐射很少,同时LED也可以回收再利用。

2.8 坚固耐用,抗震性好

比传统灯具有更强的抗震性能,更能适应和满足各种场合的安装需求。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新元件产品。

2.9 光束集中

2.10 发热量很小

对灯具材料的耐热性要求很高。

2.11 可控性强

可以实现各种颜色的变化。是各种产品的现代元件,应用于声控、光控、时控的新元件代替的新产品。

3.LED晶片的分类

3.1 按发光亮度分:

A.一般亮度:RHGYE

B.高亮度:VGVYSR

C.超高亮度:UGUYURUYSURFUE

D.不可见光(红外线)RSIRVIRHIR

E.红外线接收管:PT

F.光电管:PD

3.2 按特殊种类分:

A.红外线灯(不可见光)

B.红外线接收管

C.光电管

3.3 LED晶片在生产和使用中需注意的问题

LED使用的条件:

LED的功率从0.005W1W甚至在3W4.5W以上。因此LED工作需要满足两个条件:

A.正向电压V13.4V

B.正向电流I

20mA.一般为20mA1A

LED在生产或使用中要注意静电的防护。

4.LED的用途

4.1 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯(CCFT)

由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特点,在便携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高,白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDAMP4、数码相机等小彩屏电子产品,目前已应用到屏幕尺寸更大的DVDGPS15英寸笔记本电脑中。它已成为LED最大用户之一,占LED年产量的30%左右。

4.2 采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。

由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍,给出的强光可满足相机补光的要求。驱动LED闪光灯的电路无须高压电源,也没有较长的时间充电的缺点,可获得更多的抓拍机会,并使电池使用时间更长。产品的使用率更高的要求。

4.3 采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。

我国的太阳能电池生产量很大,2006年已达到370MW,太阳能组件的生产能力已大于1000MW。这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电区,同样适合于城镇(在国外,主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太阳能光电产业)。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成LED路灯,能自动地天黑点亮,天亮关断。

利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的,但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池,但可惜的是95%用于出口,留在国内应用仅5%,目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。上海世博会的应用才引起我们科技人员对产品的重视。

4.4 采用白光LED灯取代白炽灯

采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚,在2004年后不少单位采用Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡(15W)1520W的管灯及4060W的路灯、投射灯等产品,但并未量产。在我国南方一些工厂生产出各种15W LED灯泡及一些白光LED灯具,但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的有:矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明灯等。另外,有一些城市用LED路灯作试点工作,但尚未普及。

用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十分重大的。北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说:"如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯,每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总和。"从目前来看,用白光LED灯取代白炽灯还刚开始,在LED的用户中占很小的比例,不足LED年产量的3%2010年上海世界博览会的(绿色)环保,对LED技术的广泛使用,已使人们受到启发并引起关注。

随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进,使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。15W的白光LED从以前的发光效率为3040lm/W提高到5060 lm/W,最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如,Cree公司的一种4W冷白光LED,其光通量分挡,在350mA电流时其最高挡可达107114lm(其功率为0.35A×3.3V=1.15W,其发光效率为9399lm/W),典型的发光效率是80lm/W,而发展的目标是200lm/W

在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯,也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯(节能荧光灯),这意味着:白光LED灯比它们更亮、更节电;而在寿命上则遥遥领先。声控、光控、时控应用更加广泛。

大功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件,目前逐步用13W大功率白光LED来取代小功率Φ5白光LED设计LED灯。用1个到几个(或十几个)LED替代了几十个到几百个小功率Φ5白光LED,不仅增加了亮度、减小了体积,还提高了可靠性、简化了工艺。在军事产品、科技产品应用更加成熟。

例如,采用181W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量,若采用白炽灯则需要100W。另外,用一个65lm1W白光LED做成的强光手电筒,它可照射几十米远;若采用白炽灯来做则是不可能做到的。

5.LED存在的问题

上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高,并开发出应用于各种场合的白光LED灯,但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题,主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高,并且价格太贵,使一般百姓家难以接受。以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是810元,3W的单价是2025(LED的质量及品牌有关),另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润,则单价可能要120元以上。从表2可以看出:9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大,但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时,LED灯才能普及,这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间(这有质量上的提高及价格下降的过程),白光LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些(Φ5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元,现在批量单价已降低到0.1250.15) <

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6.路在何方白光LED照明灯的推广及普及的意义

路在何方白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大,但真的要在我国进入百姓家还有很多工作要做,要在技术上(发光效率达到120150lm/W)、价格上(要比现在的价格降低810)有重大的突破,还需要不断的努力。白光LED照明灯的推广及普及工作是一项系统工程、重大项目,需要国家的规划、引导及扶持,在政策上及经济上的支持。

我国的上海、南昌、大连、厦门等城市已建立四大半导体照明基地,非常重视LED灯的推广使用工作。目前,广东省的广州、深圳、中山、东莞、佛山等城市的路灯已使用LED灯照明。

目前LED照明灯虽然还难进百姓家,但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高,并可降低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验,有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户,对节电能起到很大作用。它们是:

A.城镇街道的路灯系统(包括太阳能路灯系统);

B.隧道及地下停车场(包括地下商场);

C.交通工具的照明(汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯);

D.大的公共场所的LED照明系统,例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等;

E.无电区的LED灯照明工程。

由于LED照明灯一般采用低压直流(恒流)供电。若采用交流220V市电供电,需要专门的变电装置输出低压直流电(12V24V)并由LED驱动器来驱动LED灯。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯,则在建筑设计中都把它设计在内,这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明,则改造的费用大、改造的时间长(如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统)

新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些,费用要高得多,如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。

7. 总结

通过上面的叙述,我们可以总结得出结论:LED不但具有电路简单高效、功能多样、性能稳定、节能的优点,而且温度低,热量小,安全性很大,有着广泛的应用前景。通过2010年上海世博会的展示,人们对LED技术有更深刻的认识,更加确认它是高效节能绿色环保新产品元件,必须广泛地应用。这也正好切合我国政府提出的加强节能减排工作,大力推广高效节能产品,全面实行政府优先和强制采购节能产品的制度,广泛地应用LED技术,更好地完成我国政府部署的把节能减排作为加强宏观调控、调整结构、转变发展方式的重要任务。

 

 

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