LED现代照明灯的(绿色)应用技术探讨
李作多
(广东行政职业学院) 广州 510800
摘 要: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。
关键词:LED;节能;寿命;环保;新元件
Application Technology of LED Modern Light
LI Zuoduo
(Guangdong Institute of Public administration, Guangzhou, Guangdong Province, 510800,China)
Abstract: The wide application of LED technology in China Shanghai Expo 2010 has attracted great attention. Faced with the energy crisis around the world, it is of top priority to seek solutions to the energy supply in the future. Since the emergence of high bright white LED it has been used not only in lighting, but also in military and other scientific and technological products, with its high brightness, high lighting efficiency, power saving, lower energy consumption, low heat, no pollution, long service life, economy. The lifetime of LED light is about 80-100 thousands of hours, and the power consumption of LED light is about one eighth of that of filament lamp with the same brightness as LED. As a result it is expected that LED lights will definitely draw comprehensive attention and be applied widely used. At present, our government is vigorously promoting efficient and energy-saving products and comprehensively implementing the system that the government gives priority to or enforce to purchase energy-saving products. Therefore, to discuss the application technology of LED is of vital necessity and importance.
Key words: LED; power saving; service life; environment friendly; new component;
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:R﹑H﹑G﹑Y﹑E等
B.高亮度:VG﹑VY﹑SR等
C.超高亮度:UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等
D.不可见光(红外线):R﹑SIR﹑VIR﹑HIR
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0.005W到1W甚至在3W到4.5W以上。因此LED工作需要满足两个条件:
A.正向电压V1≤3.4V。
B.正向电流I≥20mA.一般为20mA到1A。
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、PDA、MP4、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DVD、GPS及15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)、15~20W的管灯及40~60W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1~5W 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。1~5W的白光LED从以前的发光效率为30~40lm/W提高到50~60 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107~114lm(其功率为0.35A×3.3V=1.15W,其发光效率为93~99lm/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1~3W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18个1W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65lm的1W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8~10元,3W的单价是20~25元(与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0.125~0.15元)。
6.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120~150lm/W)、价格上(要比现在的价格降低8~10倍)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(如12V、24V等)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。