LED灯具发展和应用

LED灯具发展和应用第一页，共106页。LED照明灯具及演播室应用主讲:王京池第二页，共106页。LED电视照明灯具LED电视照明灯具，是指由白光LED作为光源，在电视节目制作过程中主要用于人物或景物照明的灯具。节能环保、体积小，重量轻、寿命长、光效高、光色纯正、不使用传统的调光器等理论上LED与卤钨灯比较能达到90％的节能，相比三基色柔光灯也可以达到50％的节能效果。第三页，共106页。一．LED照明光源的产生与发展LED是英文lightemittingdiode的缩写，俗称发光二极管一种能直接将电能转变成光能的发光器材LED发明以来，被广泛应用在指示灯、显示屏、信号灯、景观照明等领域作为普通的照明光源相比白炽灯和荧光灯，具有更多的优势第四页，共106页。1.LED的发展历程

20世纪60年代初。磷砷镓（GaAsP）红光（λp=650nm）驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，发光效率约0.1lm/w。第五页，共106页。1.LED的发展历程

70年代中期，引入元素铟(In)和氮(N)，产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效提高到1lm/w。第六页，共106页。1.LED的发展历程

80年代初,砷镓铝（GaAlAs）的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/w。90年代初，发红光、黄光的镓铝铟磷（GaAlInP）和发绿、蓝光的氮化铟镓（GaInN）两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。第七页，共106页。1.LED的发展历程到2000年，在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100lm/w，在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50lm/w。第八页，共106页。1.LED的发展历程

1998年发白光的LED开发成功将氮化镓（GaN）芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。氮化镓(GaN)芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含铈元素(Ce3+)的YAG荧光粉,受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。第九页，共106页。1.LED的发展历程

铟镓氮（InGaN）和钇铝石榴石YAG也可制成白光LED，是通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。第十页，共106页。1.LED的发展历程98年白光LED光效5lm/w2005的时候光效已经可以达到50lm/w目前用于商业照明的光效达到110lm/w，预计到2015年LED的光效有可能达到200lm/w以上。第十一页，共106页。2.LED发光原理由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒第十二页，共106页。LED通过电子与空穴复合产生发光第十三页，共106页。2.LED发光原理在PN结的两端加上正向偏置电压（P型的一边加正电压）后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的LED发出的光。第十四页，共106页。LED发光的能带示意图第十五页，共106页。2.LED发光原理光谱范围是比较窄的。由于每种材料的禁带宽度不相同，释放出的光子波长也不同(颜色不同)。LED发光的颜色由所使用的基本材料决定。第十六页，共106页。第十七页，共106页。大功率LED结构示意图第十八页，共106页。3.产生白光LED的两种方法第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；将GaN芯片发蓝光（λp=465nm），和YAG（钇铝石榴石）荧光粉封装在一起，当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光，结果，蓝光和黄光混合形成白光。第二种是多种单色光混合方法。采用不同色光（一般是RGB三色）的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。第十九页，共106页。第二十页，共106页。

白光LED产生原理示意图第二十一页，共106页。4.LED主要优点节能环保

LED的发光原理决定了它的能量转化效率非常高，理论上与白炽灯比较能达到90％的节能，相比荧光灯也可以达到50％的节能效果。

LED还可以与太阳能电池结合起来应用，节能又环保。不含有毒有害物质（如：汞），避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染，同时又没有干扰辐射。第二十二页，共106页。节电效果统计第二十三页，共106页。4.LED主要优点寿命长(免维护)LED光衰可以减到70％的标称寿命10万小时，减少了更换频率和其他维护工作。第二十四页，共106页。LED与普通荧光灯的光衰对照曲线，A曲线为普通荧光灯，B曲线为LED光源。第二十五页，共106页。第二十六页，共106页。4.LED主要优点发光效率高从理论上讲LED的发光效率能达到300lm/w以上。如果按发光效率达150lm/w计算，与其他光源进行比较:

荧光灯（发光效率为90lm/W）的1.7倍白炽灯（发光效率为13lm/W）的11.5倍高压钠灯（发光效率为132lm/W）。第二十七页，共106页。4.LED主要优点光色纯正颜色丰富

单色LED的光谱范围都比较窄，不像白炽灯那样拥有全光谱。LED的光色非常纯正，饱和度很高，特别适合电视舞台的染色效果。第二十八页，共106页。第二十九页，共106页。4.LED主要优点四N无紫外和红外无频闪无重金属无有害化合物第三十页，共106页。第三十一页，共106页。第三十二页，共106页。第三十三页，共106页。4.LED主要优点响应速度快能瞬时启动和再启动

LED的响应时间为纳秒级而白炽灯的响应时间为毫秒级第三十四页，共106页。4.LED主要优点防潮、抗震动由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，不容易损坏。应用于水下照明体积小、重量轻

与传统光源比较而言第三十五页，共106页。4.LED主要优点冷光源光线易受控自由曲面光学系统二、三次光学系统的设计第三十六页，共106页。第三十七页，共106页。4.LED主要优点低压安全

LED光源使用低电压驱动,发光稳定，无污染，没有频闪第三十八页，共106页。4.LED主要优点驱动控制灵活多变驱动控制器件可做成标准化、模块化，工作稳定。并且，能做到10～100%的任意调光，且色温变化极小，而卤钨灯调光时，色温变化很大。第三十九页，共106页。调光对色温的影响第四十页，共106页。二．LED电视照明灯具的形成与特点LED照明灯具经过几年的快速发展，作为一种新型的绿色光源产品，已经走入电视照明行业显示屏→装饰灯→效果灯具→照明灯具第四十一页，共106页。1．LED普通电视照明灯具的概念LED普通电视照明灯具，是指由白光LED作为光源，在电视节目制作过程中主要用于人物或景物照明的灯具。其主要作用是替代传统的影视聚光灯和三基色柔光灯。第四十二页，共106页。2．LED电视效果照明灯具的形成2004年，北京BIRTV展会上LED筒子灯(PAR灯)首次亮相，从此开始了LED在电视舞台照明的新领域，虽然当时的LED电视照明刚刚起步，但已经彰显出LED将从单纯的显示设备，到舞美装饰装潢，到舞台效果灯，最后发展到完全的照明设备的明显迹象。第四十三页，共106页。第四十四页，共106页。2．LED电视效果照明灯具的形成2004—2007年各种各样的用于电视节目制作的LED效果灯如雨后春笋般发展起来。到2008北京奥运会开闭幕式及2009年中央电视台春节联欢晚会LED效果灯的应用达到了一个高峰。第四十五页，共106页。第四十六页，共106页。第四十七页，共106页。第四十八页，共106页。第四十九页，共106页。第五十页，共106页。2．LED电视效果照明灯具的形成随着LED技术的进一步成熟，LED照明灯具在设计开发应用中也取得了很大的进展。到今天，甚至已经制作出了1000w的LED电脑灯。第五十一页，共106页。第五十二页，共106页。3．LED普通电视照明灯具的形成2007--2008年奥运会前，出现了许多照明“概念”灯具在北京奥运会的国外电视转播中和在北京BIRTV展会上，出现了专门用于电视照明的灯具。可以替代传统的专门用于新闻类节目照明的三基色冷光灯。第五十三页，共106页。第五十四页，共106页。3．LED普通电视照明灯具的形成从此，可以说LED电视照明灯具已经从单纯的效果照明，进入到人物照明领域。第五十五页，共106页。3．LED普通电视照明灯具的形成2009年北京第十八届中国国际专业音响、灯光、乐器及技术展览会上，一款LED聚光灯吸引了广大专业人士的眼球。这种灯具具有10～60度的光束角变化，只要在灯口处再加装遮扉，就能够完全替代传统的影视聚光灯。第五十六页，共106页。第五十七页，共106页。3．LED普通电视照明灯具的形成2010年北京第十九届中国国际专业音响、灯光、乐器及技术展览会上，国外公司LED成像灯出现。2010年BIRTV展会上，国产LED成像灯和400W大功率聚光灯出现。第五十八页，共106页。第五十九页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点绿色节能由于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取代我们目前传统照明的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。第六十页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点灯具光效高由LED做光源制成的LED灯具的光效自然也会很高。由于LED光源的半空间发光的特点，使得LED灯具的光通量输出可以做到很高。又由于LED的冷光特性，使得灯体、灯具的光学系统，可使用非玻璃制品，做成特殊形状，以利于光线的充分利用。第六十一页，共106页。第六十二页，共106页。

不同光源的照明灯具的参数比较第六十三页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点辐射热量少LED灯具发出的光线是单一的颜色，几乎不含有红外热辐射，所以属于冷光源。目前LED芯片还不可能将电能全部转换为光能，因此它的发热量还很大，在做成大功率灯具时遇到了困难。目前正在努力解决的课题之一就是“散热”。如果不采取恰当的散热措施，LED芯片的温度就会过高、导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。第六十四页，共106页。

LED的光谱图第六十五页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点体积小由于LED的发光效率高和光线的可控性能好，灯具效率可以做到很高，达到同样的照度要求，其灯具相对于传统的电视灯具可以做得很小。另外，由于单个发光体的功率不能做大，还可以根据不同的要求，组合成不同的照度模块。灯具设计师可根据照明对象和光通量的需求，决定灯具光学系统的形状、LED的数目和功率的大小；也可以将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的"二次光源"，根据组合成的"二次光源"来设计灯具。第六十六页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点色温可调LED照明灯具不仅能取代白光照明，而且还能实现调节色温的功能。色温数值范围在2900～6000K。传统灯具只能进行调光功能，LED照明灯具可调节白光色温。第六十七页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点不需要传统的调光器根据LED的发光机理，不需要传统的可控硅调光器，并且它的调光性能好，调光变化时光源的色温保持不变。采用的是DMX512通讯协议方式，基于以太网的TCP/IP传输方式第六十八页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点显色指数LED白光的显色指数已经有了很大的提高，目前已经达到90以上，但还需要进一步提高。显色指数与光谱成分有关。越接近自然光谱(或者说是标准光谱)，显色指数越高。要改善，那就要添加原来缺少的光谱成分。现在的LED多采用芯片发蓝光加发黄光的荧光粉，组成白光。这光谱与自然光谱(或者说是标准光谱)差异较大，所以显色性差，显色指数不高。如果是用芯片发紫外光，分别加红、绿、蓝(或者用蓝芯片)，组成的白光，显色指数有较大提高。第六十九页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点价格目前LED的价格仍然很高，这是其进入电视照明的障碍之一，但成本近几年下降得非常快。以1WLED光源为例，2008年春的价格是2006年春的价格三分之一，2009年春已降至2006年的四分之一。在过去的一年里，个别白光LED的价格已经从8美元降至1.50美元。在2009年，用LED替换白炽灯泡的价位将可能为消费者所接受。专利的失效期已到，相信中国大陆和台湾将会很快冒出无数家LED制造商，并进一步快速拉低LED的售价。第七十页，共106页。4．LED电视普通照明灯具的特点单灯功率由于大功率散热问题难以解决，目前LED白光照明的单灯功率相对较低，因此只适合在中小演播室使用，要真正用于大型综艺类节目的远距离基础照明，还有待于制作工艺水平和LED发光效率的进一步提高。第七十一页，共106页。5．现状聚光灯采用高显色指数LED作为发光元件；固体发光器件，寿命长达50000h，是新一代绿色环保光源；高功率密度的LED模组和高效的非球面聚光系统，灯具光效高，比传统卤钨聚光灯节能90%；内置DMX512信号解码和PWM调光电源，亮度调节范围0～100%；沿袭了传统聚光灯的设计理念和使用方法.第七十二页，共106页。第七十三页，共106页。第七十四页，共106页。第七十五页，共106页。5．现状柔光灯采用高显色指数LED作为发光元件；LED光源为固体发光器件，寿命长达50000h；利用小功率LED形成面光源照明，配以高透光率柔光板，光输出柔和、均匀，无红外线、紫外线；配有光栅、柔光片，使光照无眩光，不刺眼；灯具光效高，比传统三基色荧光灯节能50%；采用DMX512信号控制和本地控制两种方式控制亮度和色温，亮度调节范围0～100%，色温调节范围2700K～6000K。第七十六页，共106页。第七十七页，共106页。第七十八页，共106页。5．现状便携灯LED便携灯采用高显色指数LED作为发光元件；LED光源为固体发光器件，寿命长达50000h；高功率密度的LED模组和高效的多分面柔光反射系统，灯具光效高，比传统卤钨便携灯节能90%；内置色温和亮度调节电路，适应多种使用环境，无需加装各种色温片；低功率设计，可直接插入普通民宅线路使用，也可使用摄像机电池供电。LED便携灯主要适用于新闻采访、电视会议等场合使用。第七十九页，共106页。第八十页，共106页。5．现状成像灯采用高显色指数LED作为发光元件。发热量低，工作温度低，不易发生；烧烫现象。满足专业摄影、摄像要求；

LED光源为固体发光器件，可分为冷白色、暖白色与彩色三种类型；灯具用电量低，比传统卤素灯节能50%；采用DMX512信号控制和本地控制两种方式控制亮度，亮度调节范围0～255；第八十一页，共106页。技术参数：额定电压220V额定频率50Hz额定功率150W控制信号DMX512第八十二页，共106页。光学性能：1.灯具出光角度（暖白色）：8°距离(m)中心照度(Lux)总光通量（lm）有效光通量（lm）273329138944183368158458102932.灯具出光角度（暖白色）：22°距离(m)中心照度(Lux)总光通量（lm）有效光通量（lm）227421038102146856304817110109第八十三页，共106页。5．现状技术参数：额定电压220V额定频率50Hz额定功率500W功率因数Λ＞0.9控制信号

DMX512第八十四页，共106页。第八十五页，共106页。CCTV应用情况2008年10月新台址做应用测评19演播室<综艺快报>试用2009年8月,17演播室俄语频道采用2009年9月,确定新台址18个250平米(含)全部采用2009年10月,<新闻联播>采用2009年12月,中央电视台立项开始应用研究2010年初,新闻250平米演播室改造2010年2月,冬奥会.2010年4月,33演播室(英语频道)2010年6月,18演播室(虚拟演播室)2010年10月，确定新台址2个400平米(含)全部采用2010年12月，新闻150演播室2011年初,第6、11、12、13、18演播室第八十六页，共106页。第八十七页，共106页。第八十八页，共106页。其它单位应用天津电视台齐鲁电视台长安大戏院……第八十九页，共106页。第九十页，共106页。第九十一页，共106页。三．LED照明灯具对电视演播室灯光系统的影响LED照明灯具应用于电视演播室基础灯光势在必行，是任何理由都无法不可阻挡其发展的。LED照明灯具的应用对电视演播室灯光系统会产生革命性的变化。归结起来，有以下几点。第九十二页，共106页。1．配电系统的变化电视演播室灯光的用电量占相当大的比重。例如，每年的中央电视台春节联欢晚会，使用传统灯具用电量在1000KW左右，如果用节电80%的LED照明灯具来替代，其结果可想而知。由此带来的还有配电机房的减小或取消，节省了灯光机房的占用面积。第九十三页，共106页。2．取消调光立柜LED灯具的调光控制采用的是DMX512通讯协议，可通过调光台DMX512输出口直接控制灯具的亮暗。在演播室使用了几十年用来控制卤钨灯具的、且对演播室其他设备造成干扰的、不得已而使用的可控硅调光技术将退出历史舞台，刚刚起步的正弦波调光在电视台也没了市场，调光立柜随之取消，专门的调光机房也就可以用作它用。第九十四页，共106页。3．空调系统的变化演播室内的空调系统主要是为灯光设置的。传统的卤钨灯泡消耗的电能有很大一部分要转化为红外辐射，因此在演播室内要产生大量的热量。如果没有空调系统的及时排热LED几乎不产生红外热辐射，虽然LED灯具还存在散热问题，但由于其发光效率高等特点，使得采用LED照明灯具的电视演播室环境温度会大大降低，。第九十五页，共106页。4．增大演播室空间演播室的高度要求是给空调风筒留出很大空间的采用LED照明灯具，省去了巨大的换风系统，演播室的高度可以减低许多，演播室的有效使用面积也会得到扩充，能提高演播室的空间利用率。第九十六页，共106页。5．综合布线的变化演播室的综合布线系统的电源线缆一般采用3×6m㎡阻燃电缆，且需要“一路一线”方式（调光原因），还需要经过很多连线接口。价格因素，敷设难度。采用LED照明灯具后用电量大大降低，使用的线缆自然要变细，或者采用多个灯具使用一条线的供电方式，使得演播室电力布线简单容易，会大大降低安装成本和运行成本。第九十七页，共106页。6．灯具一次性投入较大

LED照明灯具的价格与卤钨灯具相比还很高，这使得电视演播室的灯具一次性资金投入会变大，但考虑到配电系统、调光系统等因素的简化或取消，综合起来也不会增加太多。另外，LED照明灯具的长寿命，使得演播室的运行维护成本会大大降低。第九十八页，共106页。四、ＬＥＤ演播室对灯具的一般要求在中小型演播室采用LED光源灯具。大中型演播室因投光距离较远，目前还不能完全用LED灯具照明，但可以采用混合方式，对照度要求不高的区域（例如观众区等）采用LED灯具照明。LED灯具应选用光效高、光斑质量好、无明显色差，光束效果好、无明显畸变的灯具。光源色温可根据要求采用固定模式和可调模式两种：固定模式3050±150K或5600±200K；可调模式：2000～6000K可调。光源显色指数Ra≥85。第九十九页，共106页。１．聚光灯

灯具光效不能小于25lm/W；灯具散热良好，连续工作时光输出稳定，光输出变化要小于5%；灯具寿命要长，满负荷使用1000h后，光衰不能大于2%；灯具采用DMX信号调光，调光时色温保持不变；聚光状态时有效光斑中心与边缘的色温差不能大于10%；灯具在失去控制信号时，能够保持最后状态（亮暗）不变，直到接受到新的信号指令；灯具要求具有良好的调光一致性和光源光色的一致性；灯具带有遮扉装置,遮挡时不能出现光影重叠现象；灯具不能出现明显的漏光现象；灯具馈入电源220～240V，额定功率不小于200W；聚光状态下，输出光斑在5m处光斑直径为2m时,平均照度不小于1500Lx；灯具的水平、俯仰运动采用手动杆调控方式，调焦采用手动杆控调控方式，调节机构应平滑连续，精度高,调焦范围为10～60°；灯具噪声演播室环境噪声要求；灯具安全性能应达到相关部门的安全认证标准，符合GB7000.217-2008《灯具第2-17部分：特殊要求舞台灯光、电视、电影及摄影场所（室内外）用灯具》。第一百页，共106页。2．柔光灯灯具光效不能小于35lm/W；灯具散热良好，连续工作时光输出稳定，光输出变化要小于5%；灯具寿命要长，使用1000h后，光衰不能大于3%；灯具采用DMX信