LED照明技术与应用论文.doc

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.第1章 LED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区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，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。图11.2 LED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结。在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P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结面数m以内产生。图2理论和实践证明，光的峰值波长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3.261.63eV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。如果用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。健康化图3LED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、黄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。第2章 LED城市景观照明的设计与应用2.1 LED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进行编程控制，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。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LED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 mm50 mm；200 mm200 mm；200 mm00 mm；300 mm300 mm等，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产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。图5 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。图6 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