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第35章 LED照明技术的应用

LED(Light Emitting Diode)即发光二极管,是一种半导体固体发光器件。人们通常说的半导体照明一般是指用LED作为光源的照明,它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,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

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、普通照明和城市夜景等领域。从广义上讲还应该包括LD(激光二极管)作为光源的照明,LD可以用于舞台灯光,大型室外集会、庆典、娱乐和远距离照明等。

LED照明光源目前是很理想的照明工具,具备多种优点。

(1)高节能。节约能源、无污染即为环保。直流驱动,超低功耗(单管0.03~0.06瓦)电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。

(2)寿命长。LED光源有人称它为长寿灯,意为永不熄灭的灯。固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,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。

(3)多变幻。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生1677.7216万种颜色,形成不同光色的组合,变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

(4)利环保。环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线;既没有热量,也没有辐射,眩光小;而且废弃物可回收,没有污染,不含汞元素;冷光源可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

(5)高新尖。与传统光源单调的发光效果相比,LED光源是低压微电子产品,成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高、新、尖”技术,具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

这种照明虽然原理简单,技术不太复杂,可在应用中仍存在着一些缺点。

(1)会因温度升高而产生光强衰减。LED实际是个半导体PN结(发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有个过渡层,称为PN结),其正向导通电压虽然都在一个范围内,但却因生产厂家、设备型号、进货批次的不同而相异,这种情况极易导致相当一部分LED不能工作在正常工作点上。

(2)单个LED功率低。为了获得大功率,需要多个并联使用,如汽车尾灯。单个大功率LED价格很贵。现阶段LED价格较之于白炽灯价格要贵几倍、十几倍甚至几十倍。

(3)显色指数低。在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实。

从全球来看,半导体照明产业已形成以北美洲、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。随着市场的快速发展,美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷扩产,加快抢占市场份额。根据目前全球LED产业发展情况,预测LED照明将使全球照明用电减少一半,2007年起,澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯,发展LED照明成为全球产业的焦点。

中国LED产业起步于20世纪70年代。经过四十多年的发展,中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄等7个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。

目前,中国半导体照明产业发展良好,外延芯片企业的发展尤其迅速,封装企业规模继续保持较快增长,照明应用取得较大进展。2007年中国的LED应用产品产值已超过300亿元,已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国,新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色,其中户外照明发展最快,已有上百家LED路灯企业,并建设了几十条示范道路,但国内在大尺寸LCD背光和汽车前照灯方面仍显落后。

2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识,这有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业大而不强,核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言,壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务,然后逐步通过研发突破核心专利。

从产业发展前景和趋势来看,由于环保节能低碳受到重视,使得半导体照明的应用日益广泛,也使得国内外大批厂商竞相投入这一新兴产业领域。

LED只能够往一个方向导通(通电),叫做正向偏置(正向偏压),当电流流过时,电子与电洞在其内重合而发出单色光,这叫电致发光效应,而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意渗入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率近年有所进步;每千流明(光通量的单位)成本,也因为大量的资金投入使价格下降,但成本仍远高于其他传统照明。在技术上,LED在光电转换效率仍比新型的T5荧光灯低。虽然如此,近年仍然越来越多被用在照明用途上。从全球来看,发展LED照明将成为整个产业的焦点。

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