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武汉夜生活论坛|LED固态照明

文章来源:未知时间:2022-05-30 点击:
自有人类开始,白天有太阳,但是到了晚上,黑夜就会降临。现在我们可以轻按一下开关就点亮我们的房子,即使在晚上,我们也可以阅读、做家务甚至工作,但是在人类历史的大部分时间里,这一切都是不可想象的。

1人类追逐光明之路

人类在寻找合适的照明光源的道路上有过漫长的经历,大约在公元前 7 世纪,人们开始用陶土制作的容器储存燃料,燃料可以是鱼油或者橄榄油等动、植物脂肪,在中间添加一个灯芯就成为一个照明的灯具。

18 世纪,一个瑞士化学家发明了油灯,油灯是将燃料储存于金属容器,灯的上部加玻璃灯罩,以保护火焰,同时带有一个空心圆形灯芯,灯的亮度可以通过调节灯芯来实现。

19世纪,随着麦克斯韦电磁场理论的建立,人类开始进入电气化时代。电气化时代有两个基本前提,就是发电、输电与配电网络的形成和各种用电器具的不断发明。这时候人们首先想到的就是用电来解决照明问题,通电加热使得金属丝发光被人们首先想到,但是普通的金属材料熔点太低,发光亮度不够,铂金丝可以耐受比较高的温度,但是铂金丝太贵,很难在商业上大规模使用。美国的爱迪生经过2千多次实验尝试,最终他发现可以用碳丝作为灯丝材料,但是碳丝灯泡的寿命比较短,约为1200小时左右。1904年匈牙利人杰斯特(Just)发明了钨丝灯泡,用钨丝取代碳丝,也就是现在的白炽灯。白炽灯在商业上取得巨大成功,但是白炽灯的发光效率比较低,大多数电能都转化为无用的热能,被白白损耗掉。   

为了提高发光效率,后来人们又发明了荧光灯。荧光灯的发光效率比白炽灯要高,它是利用气体放电激发汞(Hg)原子,利用汞原子跃迁产生的254 nm紫外光激发管壁上的荧光粉发光,这种光源存在的主要问题是荧光灯中的汞(也就是水银)属于重金属,对环境有害,同时光源的显色指数比较低,使用寿命约为1500到5000小时。

图5 荧光灯

2固态LED照明的出现

在90年代中期,各种可见光单色波长高效LED器件不断被研制出来,LED是一种发光半导体器件,当施加一个比较低的直流电压(小于3V)时就会发光,不同半导体材料的LED芯片可以发出不同颜色的光。固态LED照明指的是白光LED 取代传统的光源:白炽灯和荧光灯。固态照明包括家庭中的一般照明、办公室照明、街道照明、汽车照明和液晶显示器中的背光。

白光LED有几种可行的实现方案:第一种是多LED芯片方法,用红、绿、蓝三种LED芯片发出的光混合生成白光,缺点是结构相对复杂;第二种方法是使用紫外或紫色LED激发荧光粉发出从蓝色到红色范围内的可见光,混合组成白色光,缺点是目前紫外LED发光效率不高,发光功率做不大;第三种也是目前最成功的方法是蓝色 LED 芯片与稀土离子铈掺杂YAG黄色荧光粉(YAG:Ce)组合,LED芯片发出的蓝光一部分被荧光粉吸收发出绿光和红光组合得到白光。该方法取得巨大成功,原因在于大功率蓝光LED和高效的YAG:Ce荧光粉技术上的突破,高效率、简单性、只需要一种LED 芯片和一个低电压直流驱动电源。

3白色LED灯有哪些优点呢?

首先是发光效率高:普通的白炽灯它的发光效率是15流明/瓦,这里的流明是描述光源发光强度的物理单位,一个流明相当于一根普通蜡烛的发光强度。目前白色LED灯的发光效率可以达到150流明/瓦,是白炽灯发光效率的10倍,也就是一个4瓦的白色LED灯等同于一个40瓦白炽灯的发光,节能效果相当明显,相同照明效果比传统光源节能90%以上。

其次是白色LED灯的显色指数比较高,什么叫光源的显色指数?我们人眼在白天太阳光下看到的物体颜色与在晚上灯光下看到的颜色可能会不一样,太阳光的显色指数定义为100,光源的显色指数越高,表示晚上在灯光下物体颜色越接近白天太阳光下显示的颜色。普通的荧光灯显色性比较差。白光LED灯光谱是连续的,各种波长的光都有,这使得白色LED灯的显色指数可以达到90以上,并且还在不断提高中。

第三,白色LED灯的使用寿命很长。我们大家都有这样的印象,普通的白炽灯泡和荧光灯管用了一段时间(半年,一年)可能就会损坏,但是白色LED灯属于固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内没有松动的部分,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。

第四,白色LED灯易智能化控制。由于白色LED灯功耗低,低电压直流驱动,驱动电流与发光强度几乎是线性的,动态响应好,非常方便照明亮度的智能化无级调控。

第五,白色LED灯无频闪。白色LED灯是低电压直流驱动,发光强度十分稳定,而普通的白炽灯和日光灯是交流220V供电,电网的电压波动就会引起白炽灯和日光灯发光强度的波动,不利于保护眼睛。

同时我们也要注意白色LED灯中的蓝光部分较强,蓝光的波长值是465 nm左右。人眼等生物组织在紫外或者蓝光等短波长光的长时间照射下,生物组织细胞易老化,所以要避免长时间看手机、iPad和电视等液晶屏,这些液晶屏的背光都包含有较强的蓝光,市面上的防蓝光膜和防蓝光眼镜就是起到降低蓝光的作用。

LED固态照明未来有望向柔软、智能、超薄等方向发展,目前各种LED固态照明灯具不断涌现,为未来的照明提供广阔的发展空间。
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