LED照明技术与应用论文

 优势二类     |      2019-08-17 15:36

  LED照明设计及应用 摘要 led 照明原理及特点、led 灯具的设计及应用 引言 近年来,随着我国工业化与城镇化的快速发展,能源和资源的供需日 趋紧张,对我国电力供应产生了一定的负面影响。LED 在照明应用中, 因其具•●有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调 控方便等诸多优点,正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应 用。本文从LED 照明技术的原理及应用着眼,具体探讨新型节能光源 LED 的发展前景和市场需求. L▪•★ED照明原理及特点 1.1 LED 的基本概述 发光二极管简称为 LED。由镓(Ga)与砷(As)、磷(P)、氮 (N)、铟(In)的化合物制成的二极管,当电子与空穴复合时能辐射 出可见光,因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示 灯,或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极 管发绿光,碳化硅二极管发黄光,铟镓氮二极管发蓝光。 它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能。发光二极管 与普通二极管一样是由一个PN 结组成,也具有单向导电性。当给发 光二极管加上正向电压后,从P 区注入到N 区的电子,在PN结附近数微米内分别与N 区的电子和P 空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释 放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或 黄光的二极▲●…△管。 1.2LED 照明技术的发展 随着全球对发展低碳经济取得共识,LED 照明产业凭借其在节能 降耗领域的性能优势将迎来宝贵的快速发展机遇。在当前低碳经济形 势下,LED 照明产业市场不断升温,竞争日益激烈。 LED 被称为第四代照明光源或绿色光★△◁◁▽▼源,具有节能、环保、寿 命长、体积小等特点,可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光 源、普通照明和城市景观照明等领域。世界上一些经济发达国家围绕 LED 的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实 施“国家半导体照明计划”,欧盟也在2000年7月宣布启动类似的 “彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下,2003年6月份 首次提出发展半导体照明计划。 多年来,LED 照明以其节能、环保 的优势,已受☆△◆▲■到国家和各级政府的重视,各地纷纷出台相关政策和举 措加快 LED 灯具的发展;大众消费者也对这种环保新型◁☆●•○△的照明产品 渴求已久。 1.3 LED 照明原理 LED 光源的LED 是由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP (磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN 区,空穴由P区注入N 区。进入对方区域的少数载流子(少子) △▪▲□△一部分与多数载流子(多子)复合而发光。 假设发光是在P 区中发 生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中 心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空 穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对 于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩 散区内发光的,所以光仅在靠近 PN 理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙 Eg 有关,即 1240/Eg(mm)式中Eg 的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm 紫光~780nm 红光),半导体材料的Eg 应在3.26~1.63eV 之间。比 红光波长长的光为红外光。已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管, 但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。 1.4 LED 照明灯具特点 节能化 研究资料表明,由于LED是冷光源,半导体照明自身对环境没有 任何污染,与白炽灯、荧光灯相比,节电效率可以达到90%以上。在 同样亮度下,耗电量仅为普通白炽灯的1/10,荧光灯管的1/2。如果 LED取代我们传统照明的50%,每年我国节省的电量就相当于一 个三峡电站发电量的总和,其节能效益十分可观。 健康化 LED是一种绿色光源。LED 灯直流驱动,没有频闪;没有红外 和紫外的成分,辐射污染,显色性高并且具有很强的发光方向性;调 光性能好,色温变化时不会产生视觉误差;冷光源发热量低,可以安 全触摸;这些都是白炽灯和日光灯达不到的。它既能提供令人舒适的 光照空间,又能很好地满足人的生理健康需求,是保护视力并且环保 的健康光源。 艺术化 LED在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势;彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围,且单色性好,色彩纯度高,红、绿、 LED的组合使色彩及灰度(1670万色)的选择具有较大的灵活性。 LED 技术使居室灯具将科学性和艺术性更好地有机结合,打破了传 统灯具的边边框框,超越了固有的所谓灯具形态的观念,灯具设计在 视知觉与形态的艺术创意表现上,以一个全新的角度去认识、理解和 表达光的主题。我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配、光 与色的结合,材质、结构设计的优势,提高设计自由度来弱化灯具的 照明功能,让灯具成为一种视觉艺术,创造舒适优美的灯光艺术效果。 可随意搁置在地上、墙角或桌上,构思简约而轻松,形态传达的视觉 感受和光◇=△▲的体验,让灯具变成充满情趣与生机的生命体。 人性化 毋庸置疑,光和人的关系是一个永恒的话题,“人们看到了灯, 我看见了光”,正是这句经典的话语改变了无数设计师对灯的认识。 灯具的最高境界是“无影灯”也是人性化照明的最高体现,房间里没 有任何常见灯具的踪迹,让人们可以感受到光亮却找不到光源,体现 了把光和人类生活完美结合的人性化设计。 LED城市景观照明的设计与应用 2.1LED 城市景观照明四大特征 特征一:全面进入LED 照明时代 LED 照明产品用它出色的色彩表现力、变光变色极强的控制能 力、体积小易隐藏及其长寿、节能、稳定等特性,被大量应用于景观 照明市场,迅速带动了照明市场快速的增长,并助力景观照明成为 LED 照明应用领域市场份额最大的分支领域。而传统景观照明的一 大劣势是,无法非常好的表达建筑本身,无法呈现高品质、艺术感的 景观照明。 LED 色彩丰富,理论上仅用LED 光源就能完全覆盖CIE 色度曲线中的所有饱和颜色,即 LED 通过与磷的有机结合几乎能够 产生任何颜色;LED 可低压直流供电,调光方便,因此在景观照明领 域具有其它光源无法比拟的优势。 特征二:定制化灯具妆点城市景观 “定制化”根据字面含义,可以理解为量体裁衣,是指根据需要 来量身打造出客户需求的产品或服务。“定制化”曾频繁应用于服装、 鞋帽以、珠宝等领域,随着时代发展,“定制”一词的意义也逐渐被 丰富起来。定制化景观照明产品能最大限度发挥设计师的创作力和想 象力,是景观照明设计师的专用画笔。建筑师、设计师在选择适宜光 源的情况下,还要从整个光环境效果及材料的质感可靠性考虑,注重 自然环境与照明统一性,定制化灯具摆脱了传统的同质化设计概念, 为设计师所喜爱,,并越来越多的应用于景观照明工程中。 特征三:智能控制引领科技照明 LED照明产品被广泛应用于国内各大赛事及盛会场馆、园区,原 因之一就在于其智能控制系统超越传统照明产品,达到管理与控制一 体化,便于掌控照明项目实时状况。管理与控制一体化是照明节能的 一项关键技术,配合适当的控制策略,按照环境整体要求对 LED 行编程控制,通过LED光色的协调,即可产生整体的艺术景观效果。 管控一体化技术在LED 景观照明应用中,主要分为两大部分:对 照明设备的监管和智能控制。现场设备的监控主要实现对照明回路、 灯具的智能控制、防盗、在线故障诊断与报警等。LED 景观照明的 智能控制是区别于其他管控一体化系统的关键部分,通过智能控制系 统可以充分体现LED 应用于景观照明的优势,将LED 灯具色彩表现 力、变光变色极强等特性淋漓尽致地发挥出来,让 LED 灯具呈现出 亦真亦幻、精彩多姿的绮丽景象,让景观照明设计★◇▽▼•师的设计思想得到 最真实的呈现。 特征四:开启景观照明 点亮视觉艺术 人们用灯光来表达城市夜间的艺术形态,被民众们鉴赏和品◇•■★▼味, 艺术具有鲜明的个性,城市景观也需要个性化照明艺术来渲染。在照 明设计师看了,景观照明从规划到设计、从整体到细节都需要建立秩 序,塑造美感,满足视觉艺术。 城市景观照明视觉艺术的提升,不仅提升了城市形象,另生活在 这个城市里的人们能感受到更美的夜间环境,更具自豪感,同时,也 为城市的发展带来了经济效益。城市旅游带来的推动作用不可小觑。 2.2 不同场合的景观照明的设计与组装 优质的灯具是照明工程的质量保障和基础,由于LED与传统光源 的发光原理不同,因此它的灯具设计从内部的结构到外部的造型也都 需要从符合LED 器件本身的角度出发进行特殊设计与制造。 LED 灯具透镜的设计 LED 灯具的变色原理在于RGB 的LED 颗粒的混光效果。然而, 如果人们能清▪▲□◁楚地看到灯具中 LED 发光颗粒,其混光的效果就会大 打折扣。因此,通常此类灯具的透镜需要进行模糊处理。半透明的材 料(如乳白色磨砂玻璃)可以较好地实现混光,但灯具的表面亮度会 降低。因此多会采用表面刻花的做法。但是,稀疏的刻花不但不利于 混光,有时反而更加突出了单颗 LED 的不同色彩。即便不考虑混光 的问题,线状或点状的LED 灯具中看到单颗的LED 也是令人不悦和 不适的。因此,在一些较近距离的视看空间,比如一、二层★-●=•▽的建筑外 立面、建筑入口广场等区域中选用 LED 装饰性嵌入式灯具,应着重 考虑灯具表面的混光效果。在不确定是否能满足需要的情况下,现场 试验是最好的办法。 另一种避免直接看到LED 发光点的办法就是将 LED 安装在灯具的侧向,LED 颗粒侧向出光,避免眩光。这样的做 法在一些近人尺度的空间尤为适合。 透镜的设计还将影响LED 灯具 的表面亮度,我们曾对实际工程中使用的 LED 装饰性灯具的表面亮 度进行测量,发现此类灯具的表面亮度至少在 00 cd/m2 以上,甚至 有的灯具达到600 cd/m2。作为装饰性灯具,它们与周围环境产生极 大的亮度对比,很容易产生眩光。因此从这个角度考虑也需要认真处 理表面透镜的问题。 10 LED 灯具的配光设计 灯具市场上现有不少直接将LED 颗粒安装在灯 盘上作为投光灯 使用的案例,或是将多颗LED 做成白炽灯泡或PAR 灯的形式用来直 接替换传统光源。可是 LED 的发光原理和传统的光源完全不同:传 统光源或是点光源或是线光源,它们在作投光使用时其灯具是需要有 反射器、透镜等光学元件来进行配光的;而 LED 是利用固体半导体 芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合,放出过剩的能 量而引起光子发射,再通过在发光芯片前放置的小透镜将光线调整为 平行光。因此,传统光源所用灯具中的反射器对于 LED 光源就失去 了意义。但如果认为 LED 发出的是平行光而不使用透镜,不作任何 二次光学设计,直接使用成组的 LED 发光颗粒作为投光灯的光源, 就很容易在被照物体上形成一个个较为明显,缺少亮度变化生硬的亮 斑,投光效果差强人意,更不要说混光变色的投光效果了。 LED 灯具的模数化 城市景观照明中使用的灯具需要考虑其白天的视觉效果,而LED 灯具由于更多地被大量用于装饰性嵌入式灯具,与建筑景观相协调的 问题就更为突出。在我们调研中发现不少 LE◆●△▼●D 产品作为装饰性嵌入 式灯具在环境中显得较为突兀。这种情况的出现主要是灯具尺寸的问 题。通常建筑材料的尺寸是模数化的,灯具生产厂商如果缺少这方面 的了解,仅从便于加工的角度出发设计产品,其产品就难以与建筑饰 面材料相匹配。在实际工程中,也就因此出现切割拼贴的建筑饰面材 料,影响整体效果。因此,LED 装饰性灯具需要在尺寸设置上考虑 11 建筑模数化,与建筑饰面材料的尺寸相配合。当然并不是 LED 灯具 才需要考虑模数化问题,主要是 LED 灯具在尺寸设计上相较其他光 源有着更大的灵活度来匹配建筑模数。例如用作地面铺装的埋地LED 灯具尺寸如果能采用地面铺装材料的模数,设计为 50 mm 50 mm;200 mm200 mm;200 mm 00 mm;300 mm300 mm 就能很好地与其他建筑铺装材料配合使用,便于设计师选用,也给予设计师更大的灵活度和设计空间。一些国内外的灯具厂商已经在做这 项工作了,他们从地面铺装的尺寸出发来设计自己的灯具系列,甚至 选择某种常用饰面材料作为原型,制作同样大小、同样形式的 LED 埋地灯具,获得了较好的效果。 2.3 LED 城市景照明的应用 城市景观照明追求的不是亮度,而是艺术的创意设计,LED 品应该能够找到它的用武之地。发光角度小的LED方向性强,可作 局部重点照明;在封装▷•●材料中添入散射剂可以实现175 度的发光角适 合较大范围内的照明。 2.◇…=▲3.1 装饰草坪灯、景观灯、球泡▲◆■★-● 在城市街道或绿地中,将发光的部位设计成环状、带状等各种结构, 局部照亮草坪; 同时成为白天环境中的装饰元素。常用产品额定工作 电压AC220V,控制方式多为内控(在需要同步变化的场所可利用同 步线实现强制同步)。实际工程中常与气体放电灯光源配合作为装饰 性照明使用,利用草坪灯、景观灯、球泡等各种不同造型、不同功能 12 的LED 光源可以组合成色彩绚丽的灯光幻影。这种“多色彩,多亮点, 多图案”的变化,体现了LED 光源的特点。 装饰草坪灯23.2 水下灯 LED 水下灯放在水下,用于水体的照明,防护水平应达到IP68。额 定工作电压DC12V。LED 的低电压工作特性使其比以往的任何灯具 都要安全,寿命长的优点也使维修起来更加方便,产生的照明效果也 比常用的PAR 灯、气体放电灯更为丰富。 13 水下灯2.3.3 地面灯具:地埋灯、发光地砖、石灯等 地面灯具使用LED 光源可以将尺寸小型化。一方面可以用作环境照 明,另一方面可以作为发光装饰照明或引导性功能照明。依据具体的 地面铺装结构灯具的出光口面积可大可小。嵌入式石灯、地砖灯以切 边加工的方式与铺装的石材取得一致,达到环境与光源和谐统一的效 果。目前部分产品已实现模数化设计,例如作为地面铺装层照明的发 光地砖,产品的尺寸与地砖的尺寸相协调,即符合模数的要求: 150150; 200200;200100;300300;400200 地面灯具14 流水广告灯参考文献 《LED照明设计基础与技术应用》 机械工业出版社,2013.4 《LED照明设计与应用》 科学出版社,2009.10 《LED照明设计与案例精选》 北京航空航天大学出版 社,2012.4

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