L E D 及照明基本知识.doc

培训资料

L E D 及照明基本知识

培训内容
一、LED知识篇
二、照明的一些相关基础知识
三、绿色光源基本概念

一、LED知识篇

目前，随着我国GDP不断增长，城市亮化工程越来越受到政府重视，它除了能美化人们的生活环境之外，也成为政府展显形象和业绩的一个方面。但亮化工程会带来两个突出的矛盾，一是耗电巨大，二是维修困难。LED光源恰好能解决这两个矛盾。
LED在建筑领域的应用主要有如下几个方面：楼宇照明、公共景观照明、路灯照明、广告招牌和室内装饰。对室外LED照明灯具的基本要求就是要确保防水。
1.楼宇照明，对大型建筑物进行夜景照明，应用的产品有护栏管、大功率投光灯、洗墙灯、像素灯、LED天幕等。
2.公共景观照明，主要针对广场、立交桥、公园等面积开阔地的照明。主要的产品有地埋灯、庭院灯、水池灯、彩色发光地砖和护栏管等。
3.路灯照明，路灯照明是LED应用在建筑照明上的主要方向，楼宇和景观照明可以在用电紧张或非节假日时关闭，但路灯照明却要随时开启。有专家指出，若将中国路灯全部换为LED，每年可省电20亿度以上，其节能效益非常显著。
目前我们正面临着一场照明领域的技术革命。以LED半导体照明技术为主的新型光源正粉墨登场，占据了照明光源的部分市场份额。一方面是我国成为继美国之后的第二电力消耗国家，能源短缺的问题十分突出，这些严峻的形势为我们的各行各业拉响了“警报”。作为建筑电力消耗大户的照明行业，理所当然地成为建筑节能的主要对象。而LED发光二极管以寿命长，能耗小等特点，迅速获得市场青睐，成为照明节能的生力军。
如果把LED在照明行业进行细分，可以分为以下几种：普通照明，包括各类家用日常普通照明；建筑照明，分为室外景观灯、室内装饰灯、公共场所照明和路灯等；特种照明，主要有防爆灯(含矿灯)、应急灯、手电筒、文物与艺术品照明灯、特种医疗用灯、农作物生长用灯、太阳能LED灯。
目前LED产业状况
在LED产业上（这里仅指LED发光二极管，而不包含LED应用产品），我国仍延续像其它电子信息类产业的格局，关键技术掌握在外国手里，我们仅制作低附加值的后端工作。由于LED的大部分专利都掌握在美日厂商手里，目前还没有到期，国内虽有2000余家LED生产厂，但几乎都是封装厂，LED芯片主要是从国外进口。可喜的是国内的一些研究机构不断向LED芯片产业化冲击，目前已经取得阶段性成果，如南昌、厦门、大连已经可以进行LED生产材料——外延片的量产，可进行小批量LED芯片试产。我国已经将上海、深圳、厦门、南昌、大连列为LED五大产业基地。
2007年我国LED封装产值达到168亿元，较2006年的148亿元增长15%；产量则由2006年的660亿只增加到现在的820亿只，其中高亮LED产值达到120亿元，占LED总销售额的71%。同时从产品和企业结构来看，国内也有明显改善，SMD和大功率LED封装增长较快，目前全国大功率封装产能已达到10KK/月左右。
2007年全球LED产值超过70亿美元。在国际上，知名的LED芯片制造企业有美国的Lumileds、Cree、GE等，日本的Nichia、Citizen、OKI等，以及德国的Osram。我国的台湾地区已经通过专利授权的方式于2005年陆续切入LED芯片的生产，目前芯片产量占到世界LED总产量的四分之一。就产能规模而言，已经超越日本，并位居全球之冠。
施工标准：
1、GB7248 《电光源的安全要求》
2、GB50259 《电器照明装置施工及验收规范》
3、OJJ89—2001 《城市道路照明工程施工及验收规范》
4、GBJ452—82 《电器装置安装工程施工及验收规范》
5．GB/T 9468-1988<<道路照明灯具光度测试》

LED概述

LED是英文Light Emitting Diode的简称，是一种具有两个电极的半导体发光器件，让其流过小量电流就会发出可见光，第一个商用二极管产生于 1960年。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

LED 的构成
øLED 因其颜色不同,而其化学成份不同:
ø如红色 ：铝-铟-镓-磷化物
ø绿色和蓝色: 铟-镓-氮化物
ø白色和其它色都是用RGB（红色、绿色、蓝色的英文简写）三基色按适当的比例混合而成的。
LED 的制造过程类似于半导体,但加工的精度不如半导体,目前成本仍然较高.

LED 工作原理和结构图
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型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关 。

单 颗 白 色LED 的 效 能 进展
相若卤钨灯
25
2001
接近高压汞灯
50
2005
相若白炽灯
15
1999

5
1998
备注
发光效能（流明 / 瓦）
年份

单 颗 白 色LED长远发展目标
100 流明 / 瓦
发光效能
10 瓦
输入功率
单颗白色 LED

LED 的优点:
ø10万小时超长寿命；
ø可组成各种颜色(如RGB等)
ø驱动相对简单(无需触发电压)
ø节能，效率比白灯高,并有进一步提高的潜力.
ø体积小,灯具设计灵活.
ø响应时间短；
ø环保：无有害金属汞。
ø低压，安全性高

LED的缺点
ø每瓦的流明成本高.
ø光效还没HID高.
ø需要驱动器驱动(不如白灯简单)

LED目前在照明行业中的主要应用范围

* 建筑物外观照明
* 娱乐场所及舞台照明
* 室内空间展示照明
* 道路、景观照明
* 标识与指示性照明
* 交通信号灯、视频屏幕

LED 应用于指示灯已有几十年的历史，
为何现在对LED 重感兴趣?

ø近几年来对LED 的亮度提高,使其可能成为照明光源,而不仅仅是指示灯.

øLED技术现仍处在初始阶段,有望在今后的5—10年内,在提高光效,降低成本上有很大的进展.

øLED 光源在未来将成为传统照明光源的另一个竞争者

LED 的几个主要生产商
øCree（美国科瑞）
ø.Nichia（日本日亚）

øLumiLeds（荷兰飞利浦）
øOsram （德国欧司朗）
ø东芝（日本）

目前常见的LED灯具

目前，市面上常见的LED灯具有如下：
LED地埋灯、 LED水底灯、 LED草坪灯、 LED轮廓灯、 LED彩虹管、 LED灯杯、 LED投光灯、 LED射灯、 LED地砖灯、 LED墙壁灯、 LED球泡等。
随着LED光效的提高的、关键技术的不断完善和优化，目前有多家企业推出了太阳能和大功率LED相结合的太阳能半导体路灯。

LED的颜色
LED通常仅发出一种颜色（单一窄光谱），有较高的颜色饱和度。

LED的显色性

ø由于单个LED发出的是窄光谱，所以其显色性很低．
ø虽然从理论上来讲RGB三色LED的显色指数可达85．但目前仅约60.
ø为了提高CRI到90以上,需在红色和绿色之间加入第四种颜色,琥珀色.
ø磷化物涂层加蓝或紫外线LED 的CRI范围在75-80之间.

LED驱动器的作用
ø驱动器的基本作用是给LED一个恒定的电流。在选用驱动器时需重点考虑驱动器可接受的功率损耗。

表3.3.1 机动车交通道路照明标准值

级
别
道路类型
路面亮度
路面照度
眩光限制
阈值增量T1(%)
最大
初始值
环境比
SR
最小值
平均亮度
Lav
(cd/m2)
总均匀度
Uo
最小值
纵向
均匀度
UL
最小值
平均照度
Eav(lx)
维持值
均匀度
UE
最小值
Ⅰ
快速路、主干路
(含迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路，位于市中心或商业中心的道路)
1.5/2.0
0.4
0.7
20/30
0.4
10
0.5
Ⅱ
次干路
0.75/1.0
0.4
0.5
10/15
0.35
10
0.5
Ⅲ
支路
0.5/0.75
0.4
—
8/10
0.3
15
—

表3.4.1 交会区照明标准值

交会区类型
路面平均照度
Eav(lx)，维持值
照度均匀度
UE
眩光限制
主干路与主干路交会
30/50
0.4
在驾驶员观看灯具的方位角上，灯具在80°和90°高度角方向上的光强分别不得超过30cd/1000lm和10cd/1000lm
主干路与次干路交会
主干路与支路交会
次干路与次干路交会
20/30
次干路与支路交会
支路与支路交会
15/20

人行道路照明标准值

夜间行人流量
区域
路面平均照度
Eav(lx)，维持值
路面最小照度
Emin(lx)，维持值
最小垂直照度
Evmin(lx)，维持值
流量大的道路
商业区
20
7.5
4
居住区
10
3
2
流量中的道路
商业区
15
5
3
居住区
7.5
1.5
1.5
流量小的道路
商业区
10
3
2
居住区
5
1
1

二、照明的一些相关基础知识

1、光（ light）
　　光的本质是电磁波 ,是整个电磁波谱中极小范围的一部分光是能量的一种形态。
　　可见光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱。这类射线的波长范围在380到780nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部份。温度远远高于50Hz工作时的温度，从而产生更高色温的白色色表和更好的显色性。

电磁波频谱图：

常用380—780nm表示可见光的范围

2、光通量（光束）Φ (luminous flux )
　　光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。单位：流明（lm）。
　　一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。
　　例如：一只 40W的普通白炽灯的光通量为350---470lm，而一只40W的普通直管形荧光灯的光通量为2800lm左右，为白炽灯的6--8倍。
　　3、照 度 (illuminance)

　　单位被照面上接收到的光通量称为照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量为 1（1m），则照度为1（1x）。单位：勒克斯（1x）。
　　1勒克斯（1x）相当于被照面上光通量为1流明（1m）时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000 1x，冬天晴天时地面照度约为2000 1x，晴朗的月夜地面照度约0.2 1x。
　　4、亮 度 （ luminance）
　　光源在某一方向上的亮度是光源在该方向上的单位投影面积、单位立体角中发射的光通量。
　　如果我们把每一物体都视为光源的话，那么亮度就是描述光源光亮的程度，而照度正好是把每一物体都作为被照物体，用一块木板来举例说明，当一定光束照到木板时我们讲木板有多少照度，然后木板将多少光束反射到人眼，就称为木板的多少亮度，那么有如下式子：亮度等于照度乘以反射率。
　　在同一房间同一位置一块白布和一块黑布的照度是相同的，而亮度是不同的。
　　5、光 效 （luminous efficacy of light source）
　　光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。
　　单位：流明 /瓦（lm/W）

　　6、色 温 （CT-color temperature）
　　当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度 K（kelvim）表示。
　　黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的，所以白炽灯一类的热辐射光源的光谱功率分布与黑体在可见区的光谱功率分布比较接近，都是连续光谱，用色温的概念完全可以描述这类光源的颜色特性。
7、相关色温 （ CCT-correlated color temperature）
　　当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温，单位为 K。
　　由于气体放电光源一般为非连续光谱，与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合，所以都采用相关色温来近似描述其颜色特性。
　　色温（或相关色温）在 3300K以下的光源，颜色偏红，给人一种温暖的感觉。色温超过5300K时，颜色偏兰，给人一种清冷的感觉。通常气温较高的地区，人们多采用色温高于4000K的光源，而气温较低的地区则多用4000K以下的光源。

8、显色指数 （ Ra-color rendering index）
　　太阳光和白炽灯均辐射连续光谱，在可见光的波长（ 380nm-780nm）范围内，包含着红、橙、黄、绿、青、兰、紫等各种色光。物体在太阳光和白炽灯的照射下，显示出它的真实颜色，但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色就会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性。
　　为了对光源的显色性进行定量的评价，引入显色指数的概念。以标准光源为准，将其显色指数定为 100，其余光源的显色指数均低于100。显色指数用Ra表示，Ra值越大，光源的显色性越好。
9、光 强（luminous intensity ）
　　光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度，简称光强。 单位：坎德拉（ cd）
10、平均寿命 （average life）
　　指一批灯燃点，当其中有50%的灯损坏不亮时所燃点的小时数。
　　单位：小 时（ h）
11、经济寿命 （economic life）

　　在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定比例的小时数。此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯为百分之八十。
12、效 率 （efficiency）
　　a.光源发光效率
　　是指一个光源所发出的光通量 φ 与该光源所消耗的电功率 P之比。
　　b.灯具效率
　　灯具效率是指在规定条件下测得的灯具所发射的光通量值与灯具内所有光源发出的光通量测定值之和的比值。
13、眩 光 （glare）
　视野内有亮度极高的物体过强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适，称为眩光。眩光非为失能性眩光和不舒适性眩光，眩光是影响质量的重要因素。

三、绿色光源基本概念
优质绿色光源主要技术性能：
一、      是高光效、高亮度、高节能。
光源每W电功率产生的光通量越多，光效越高，亮度越高，节约能源越多。
二、      是太阳光色、高显色性能。
电光源产生的光频谱，即：光的颜色应是太阳光色。这样在观看物体表面颜色时，才能不产生色偏、不变色，显示物体表面的原本颜色。为表示显色性能优劣，引入显色指数R值的概念。以太阳光R=100为标准，绿色光源R值应为：R≥85。光源的显色指数R值越大，光源显色性能越好。
三、      是光通量稳定、不波动、无频闪效应危害。
电光源产生的光通量不稳定，产生光波动，称为频闪。频闪产生的危害性称为频闪效应。频闪效应实质上是光污染，其危害极大。当前，广泛采用的Ｔ8直管日光灯（电感式）、白炽灯、高压汞灯、钠灯等电光源。其光通量的波动深度在55—65%，波动频率为每秒100周，频闪效应的危害性很大。消除频闪效应的技术措施，是提高驱动电光源发光体发光的电功率频率。绿色光源其驱动电光源发光体发光的电功率频率应在40 KHz（千周）以上（ＣＥ认证规定在40 KHz以上），才能避免频闪效应。
四、      照明科技部分物理量的物理定义：
1、      光通量：电光源产生发出的光能量，称为光通量，单位为流明（Lm）。在某固定的空间内，电光源产生的光通量越多，人对周围环境的视觉感觉越明亮。
2、      光效：电光源每w电功率产生发出的光通量称为光效，单位为流明/瓦特（Lm/w）。电光源每w电功率产生发出的光通量越多，表明电光源将电能转换成光能的效率越高。
3、      有效瞳孔流明（俗称有效视觉光效）：指的是在电光源产生发出的光通量中，能被人的肉眼视觉感觉到那一部分可见光。有效瞳孔流明为纯数字物理量，它表明的是光源光通量的有效性。
电光源的有效瞳孔流明倍数越高，光源实际的亮度越高。因此在工业、商业照明中，应选用有效瞳孔流明倍数高的光源。常用电光源的有效瞳孔流明倍数关系。
4、      色温：指的是电光源产生发出的光的颜色。为直观量化，通常引入K氏温度的概念进行描述。色温分为：低色温、中度色温、高色温。
u      低色温：K氏温度在2700K－3500K。如早晨8时以前的日出，钠灯、烛光等发出的光为低色温。含有长波红、橙光较多。其光色表现为较柔和，给人的视觉感温馨温暖。
u      中度色温：K氏温度在3500K－4500K。如上午8时以后，10时以前的太阳光。含有较少的橙光和较多的蓝光，其光色表现柔而亮，给人的视觉感清晰舒适。
u      高色温：K氏温度在4500K－6500K。如上午10时以后，下午2时以前的太阳光，高频率高效率节能灯等发出的光为高色温。含短波篮、绿光较多，其光色表现为自然太阳光，给人的视觉感明亮舒适。电光源色温高低，并不表明电光源性能优劣。对电光源色温高低的选择，主要是根据应用场合和照明目标的需求而定。对于工业和商业环境照明，要求明亮舒适，显色性能好，应选用高色温的电光源。
5、      显色性能：电光源发出的光，显示物体表面原本颜色的能力。光源显色性能越高，物体表面颜色越真实。为量化描述显色性能，引入显色指数R值的概念。以太阳光R=100值为标准，电光源的R值越接近100，说明电光源的显色性能越好。在工业、商业照明中应选用R值大的光源。
6、      光通维持率：灯在规定的条件下燃点，灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，以百分数来表示。
u      国标要求：2000h不小于78%。
u      国外先进水平：2000h不小于90%。
u      美国能源之星：40%额定寿命时不小于80%。
7、      光源寿命：指的是电光源从点亮至熄灭的时间为光源的寿命，单位为小时(h)。
8、      亮度与照度：亮度与照度，是两个既关联又不同的物理量。
u      亮度：指的是人在看光源时，眼睛感觉到的光亮度。亮度高低决定于光源的色温高低和光源的光通量，光源的光通量多少是决定性因素。光源的光通量多，亮度就高。
u      照度：指的是光源照射到周围空间或地面上，单位被照射面积上的光通量。光源照射到周围空间和地面上的光通量多，照度就高。
特别说明：光源的亮度，有时受色温影响较大。在光通量相同的光源中，色温高的光源会产生亮度高的视觉感。这种“高亮度”光源，照度并不比其它光源高，光效并不比其它光源高，只是一种刺眼的“虚假亮”。
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