LED光源燈具的發(fā)展與應(yīng)用

1、綠色照明低炭經(jīng)濟(jì)1LED照明燈具及演播室應(yīng)用主講:王京池2LED電視照明燈具LED電視照明燈具，是指由白光LED作為光源，在電視節(jié)目制作過程中主要用于人物或景物照明的燈具。節(jié)能環(huán)保、體積小，重量輕、壽命長、光效高、光色純正、不使用傳統(tǒng)的調(diào)光器等理論上LED與鹵鎢燈比較能達(dá)到90的節(jié)能，相比三基色柔光燈也可以達(dá)到50的節(jié)能效果。3一 LED照明光源的產(chǎn)生與發(fā)展LED是英文light emitting diode的縮寫，俗稱發(fā)光二極管一種能直接將電能轉(zhuǎn)變成光能的發(fā)光器材LED發(fā)明以來，被廣泛應(yīng)用在指示燈、顯示屏、信號燈、景觀照明等領(lǐng)域作為普通的照明光源相比白熾燈和熒光燈，具有更多的優(yōu)勢41. LE

2、D的發(fā)展歷程 20世紀(jì)60年代初。磷砷鎵（GaAsP）紅光（p=650nm）驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，發(fā)光效率約0.1lm/w。 51. LED的發(fā)展歷程 70年代中期，引入元素銦(In)和氮(N)，產(chǎn)生綠光（p=555nm），黃光（p=590nm）和橙光（p=610nm），光效提高到1 lm/w。61. LED的發(fā)展歷程 80年代初,砷鎵鋁 （GaAlAs）的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10 lm/w。90年代初，發(fā)紅光、黃光的鎵鋁銦磷（GaAlInP）和發(fā)綠、藍(lán)光的氮化銦鎵（GaInN）兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。71. LED的發(fā)展

3、歷程到2000年，在紅、橙區(qū)（p=615nm）的光效達(dá)到100 lm/w，在綠色區(qū)域（p=530nm）的光效可以達(dá)到50 lm/w。81. LED的發(fā)展歷程 1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功將氮化鎵（GaN）芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。氮化鎵(GaN)芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含鈰元素(Ce3+)的YAG熒光粉,受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層。 LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。91. LED的發(fā)展歷程 銦鎵氮（In

4、GaN）和釔鋁石榴石YAG也可制成白光LED，是通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。101. LED的發(fā)展歷程98年白光LED光效5lm/w2005的時候光效已經(jīng)可以達(dá)到50lm/w目前用于商業(yè)照明的光效達(dá)到110lm/w，預(yù)計(jì)到2015年LED的光效有可能達(dá)到200 lm/w以上。 112. LED發(fā)光原理由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光芒 12LED 通過電子與空穴復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光132. LED發(fā)光原理在PN結(jié)的兩

5、端加上正向偏置電壓（P型的一邊加正電壓）后，空穴和自由電子就會相互移動，形成一個內(nèi)電場。隨后新注入的空穴和自由電子再重新復(fù)合，復(fù)合的同時有時會以光子的形式釋放多余能量，這就是我們所見到的LED發(fā)出的光。14LED 發(fā)光的能帶示意圖152. LED發(fā)光原理光譜范圍是比較窄的。由于每種材料的禁帶寬度不相同，釋放出的光子波長也不同(顏色不同)。LED發(fā)光的顏色由所使用的基本材料決定。1617大功率LED結(jié)構(gòu)示意圖183.產(chǎn)生白光LED的兩種方法第一種是利用“藍(lán)光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光；將GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm），和YAG（釔鋁石榴石）熒光粉封裝在一起，當(dāng)熒光粉受藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光，結(jié)

6、果，藍(lán)光和黃光混合形成白光。第二種是多種單色光混合方法。采用不同色光（一般是RGB三色）的芯片封裝在一起，通過各色光混合而產(chǎn)生白光。1920 白光LED產(chǎn)生原理示意圖214. LED主要優(yōu)點(diǎn)節(jié)能環(huán)保 LED的發(fā)光原理決定了它的能量轉(zhuǎn)化效率非常高， 理論上與白熾燈比較能達(dá)到90的節(jié)能，相比熒光燈也可以達(dá)到50的節(jié)能效果。 LED還可以與太陽能電池結(jié)合起來應(yīng)用，節(jié)能又環(huán)保。 不含有毒有害物質(zhì)（如：汞），避免了熒光燈管破裂溢出汞的二次污染，同時又沒有干擾輻射。 22節(jié)電效果統(tǒng)計(jì)234. LED主要優(yōu)點(diǎn)壽命長 (免維護(hù))LED光衰可以減到70的標(biāo)稱壽命10萬小時，減少了更換頻率和其他維護(hù)工作。24LE

7、D與普通熒光燈的光衰對照曲線，A曲線為普通熒光燈，B曲線為LED光源。25264. LED主要優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效率高從理論上講LED的發(fā)光效率能達(dá)到300lm/w以上。如果按發(fā)光效率達(dá)150lm/w計(jì)算，與其他光源進(jìn)行比較: 熒光燈（發(fā)光效率為90lm/W）的1.7倍 白熾燈（發(fā)光效率為13lm/W）的11.5倍 高壓鈉燈（發(fā)光效率為132lm/W）。274. LED主要優(yōu)點(diǎn)光色純正顏色豐富 單色LED的光譜范圍都比較窄，不像白熾燈那樣擁有全光譜。LED的光色非常純正，飽和度很高，特別適合電視舞臺的染色效果。284. LED主要優(yōu)點(diǎn)四N無紫外和紅外無頻閃無重金屬無有害化合物293031324. LED

8、主要優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快能瞬時啟動和再啟動 LED的響應(yīng)時間為納秒級而白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級 334. LED主要優(yōu)點(diǎn)防潮、抗震動 由于LED的外部多采用環(huán)氧樹脂來保護(hù)，所以密封性能和抗沖擊的性能都很好，不容易損壞。應(yīng)用于水下照明體積小 、重量輕 與傳統(tǒng)光源比較而言344. LED主要優(yōu)點(diǎn)冷光源 光線易受控 自由曲面光學(xué)系統(tǒng) 二、三次光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)35364. LED主要優(yōu)點(diǎn)低壓安全 LED光源使用低電壓驅(qū)動, 發(fā)光穩(wěn)定，無污染，沒有頻閃 374. LED主要優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動控制靈活多變 驅(qū)動控制器件可做成標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，工作穩(wěn)定。并且，能做到10100%的任意調(diào)光，且色溫變化極小，而鹵鎢燈調(diào)光時，色溫變

9、化很大。38調(diào)光對色溫的影響39二LED電視照明燈具的形成與特點(diǎn)LED照明燈具經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，已經(jīng)走入電視照明行業(yè)顯示屏裝飾燈效果燈具照明燈具401LED普通電視照明燈具的概念LED普通電視照明燈具，是指由白光LED作為光源，在電視節(jié)目制作過程中主要用于人物或景物照明的燈具。其主要作用是替代傳統(tǒng)的影視聚光燈和三基色柔光燈。412LED電視效果照明燈具的形成2004年，北京BIRTV展會上LED筒子燈(PAR燈) 首次亮相，從此開始了LED在電視舞臺照明的新領(lǐng)域，雖然當(dāng)時的LED電視照明剛剛起步，但已經(jīng)彰顯出LED將從單純的顯示設(shè)備，到舞美裝飾裝潢，到舞臺效果燈，

10、最后發(fā)展到完全的照明設(shè)備的明顯跡象。42432LED電視效果照明燈具的形成20042007年各種各樣的用于電視節(jié)目制作的LED效果燈如雨后春筍般發(fā)展起來。到2008北京奧運(yùn)會開閉幕式及2009年中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會LED效果燈的應(yīng)用達(dá)到了一個高峰。4445464748492LED電視效果照明燈具的形成隨著LED技術(shù)的進(jìn)一步成熟，LED照明燈具在設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用中也取得了很大的進(jìn)展。到今天，甚至已經(jīng)制作出了1000w的LED電腦燈。50513LED普通電視照明燈具的形成2007-2008年奧運(yùn)會前，出現(xiàn)了許多照明“概念”燈具在北京奧運(yùn)會的國外電視轉(zhuǎn)播中和在北京BIRTV展會上，出現(xiàn)了專門用于電視照

11、明的燈具。可以替代傳統(tǒng)的專門用于新聞類節(jié)目照明的三基色冷光燈。52533LED普通電視照明燈具的形成從此，可以說LED電視照明燈具已經(jīng)從單純的效果照明，進(jìn)入到人物照明領(lǐng)域。543LED普通電視照明燈具的形成2009年北京第十八屆中國國際專業(yè)音響、燈光、樂器及技術(shù)展覽會上，一款LED聚光燈吸引了廣大專業(yè)人士的眼球。這種燈具具有1060度的光束角變化，只要在燈口處再加裝遮扉，就能夠完全替代傳統(tǒng)的影視聚光燈。55563LED普通電視照明燈具的形成2010年北京第十九屆中國國際專業(yè)音響、燈光、樂器及技術(shù)展覽會上，國外公司LED成像燈出現(xiàn)。2010年BIRTV展會上，國產(chǎn)LED成像燈和400W大功率聚光

12、燈出現(xiàn)。57584LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)綠色節(jié)能 由于LED是冷光源，半導(dǎo)體照明自身對環(huán)境沒有任何污染，與白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電效率可以達(dá)到90以上。在同樣亮度下，耗電量僅為普通白熾燈的1/10，熒光燈管的1/2。如果用LED取代我們目前傳統(tǒng)照明的50，每年我國節(jié)省的電量就相當(dāng)于一個三峽電站發(fā)電量的總和，其節(jié)能效益十分可觀。 594LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)燈具光效高由LED做光源制成的LED燈具的光效自然也會很高。由于LED 光源的半空間發(fā)光的特點(diǎn)，使得LED 燈具的光通量輸出可以做到很高。又由于LED的冷光特性，使得燈體、燈具的光學(xué)系統(tǒng)，可使用非玻璃制品，做成特殊形狀，以利于光線

13、的充分利用。6061 不同光源的照明燈具的參數(shù)比較624LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)輻射熱量少LED燈具發(fā)出的光線是單一的顏色，幾乎不含有紅外熱輻射，所以屬于冷光源。目前LED 芯片還不可能將電能全部轉(zhuǎn)換為光能，因此它的發(fā)熱量還很大，在做成大功率燈具時遇到了困難。目前正在努力解決的課題之一就是“散熱”。如果不采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧?，LED 芯片的溫度就會過高、導(dǎo)致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。改善LED 的發(fā)熱問題是攻克大功率照明燈具的關(guān)鍵。63 LED的光譜圖644LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)體積小由于LED的發(fā)光效率高和光線的可控性能好，燈具效率可以做到

14、很高，達(dá)到同樣的照度要求，其燈具相對于傳統(tǒng)的電視燈具可以做得很小。另外，由于單個發(fā)光體的功率不能做大，還可以根據(jù)不同的要求，組合成不同的照度模塊。燈具設(shè)計(jì)師可根據(jù)照明對象和光通量的需求，決定燈具光學(xué)系統(tǒng)的形狀、LED的數(shù)目和功率的大小；也可以將若干個LED發(fā)光管組合設(shè)計(jì)成點(diǎn)光源、環(huán)形光源或面光源的二次光源，根據(jù)組合成的二次光源來設(shè)計(jì)燈具。 654LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)色溫可調(diào)LED照明燈具不僅能取代白光照明，而且還能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)色溫的功能。色溫數(shù)值范圍在29006000K。傳統(tǒng)燈具只能進(jìn)行調(diào)光功能，LED照明燈具可調(diào)節(jié)白光色溫。 664LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)不需要傳統(tǒng)的調(diào)光器根據(jù)LED

15、的發(fā)光機(jī)理，不需要傳統(tǒng)的可控硅調(diào)光器，并且它的調(diào)光性能好，調(diào)光變化時光源的色溫保持不變。采用的是DMX512通訊協(xié)議方式，基于以太網(wǎng)的TCP/IP傳輸方式674LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)顯色指數(shù)LED白光的顯色指數(shù)已經(jīng)有了很大的提高，目前已經(jīng)達(dá)到90以上，但還需要進(jìn)一步提高。顯色指數(shù)與光譜成分有關(guān)。越接近自然光譜(或者說是標(biāo)準(zhǔn)光譜)，顯色指數(shù)越高。要改善，那就要添加原來缺少的光譜成分。現(xiàn)在的LED多采用芯片發(fā)藍(lán)光加發(fā)黃光的熒光粉，組成白光。這光譜與自然光譜(或者說是標(biāo)準(zhǔn)光譜)差異較大，所以顯色性差，顯色指數(shù)不高。如果是用芯片發(fā)紫外光，分別加紅、綠、藍(lán)(或者用藍(lán)芯片)，組成的白光，顯色指數(shù)有較

16、大提高。684LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)價格目前LED的價格仍然很高，這是其進(jìn)入電視照明的障礙之一，但成本近幾年下降得非?？?。以1W LED光源為例，2008年春的價格是2006年春的價格三分之一，2009年春已降至2006年的四分之一。在過去的一年里，個別白光LED的價格已經(jīng)從8美元降至1.50美元。在2009年，用LED替換白熾燈泡的價位將可能為消費(fèi)者所接受。專利的失效期已到，相信中國大陸和臺灣將會很快冒出無數(shù)家LED制造商，并進(jìn)一步快速拉低LED的售價。694LED電視普通照明燈具的特點(diǎn)單燈功率由于大功率散熱問題難以解決，目前LED白光照明的單燈功率相對較低，因此只適合在中小演播室使用

17、，要真正用于大型綜藝類節(jié)目的遠(yuǎn)距離基礎(chǔ)照明，還有待于制作工藝水平和LED發(fā)光效率的進(jìn)一步提高。705現(xiàn)狀聚光燈采用高顯色指數(shù)LED作為發(fā)光元件；固體發(fā)光器件，壽命長達(dá)50000h，是新一代綠色環(huán)保光源；高功率密度的LED模組和高效的非球面聚光系統(tǒng)，燈具光效高，比傳統(tǒng)鹵鎢聚光燈節(jié)能90%；內(nèi)置DMX512信號解碼和PWM調(diào)光電源，亮度調(diào)節(jié)范圍0100%；沿襲了傳統(tǒng)聚光燈的設(shè)計(jì)理念和使用方法.717273745現(xiàn)狀柔光燈采用高顯色指數(shù)LED作為發(fā)光元件；LED光源為固體發(fā)光器件，壽命長達(dá)50000h；利用小功率LED形成面光源照明，配以高透光率柔光板，光輸出柔和、均勻，無紅外線、紫外線；配有光柵、

18、柔光片，使光照無眩光，不刺眼；燈具光效高，比傳統(tǒng)三基色熒光燈節(jié)能50%；采用DMX512信號控制和本地控制兩種方式控制亮度和色溫，亮度調(diào)節(jié)范圍0100%，色溫調(diào)節(jié)范圍2700K6000K。7576775現(xiàn)狀便攜燈LED便攜燈采用高顯色指數(shù)LED作為發(fā)光元件；LED光源為固體發(fā)光器件，壽命長達(dá)50000h；高功率密度的LED模組和高效的多分面柔光反射系統(tǒng)，燈具光效高，比傳統(tǒng)鹵鎢便攜燈節(jié)能90%；內(nèi)置色溫和亮度調(diào)節(jié)電路，適應(yīng)多種使用環(huán)境，無需加裝各種色溫片；低功率設(shè)計(jì)，可直接插入普通民宅線路使用，也可使用攝像機(jī)電池供電。LED便攜燈主要適用于新聞采訪、電視會議等場合使用。78795現(xiàn)狀成像燈采用高

19、顯色指數(shù)LED 作為發(fā)光元件。發(fā)熱量低，工作溫度低，不易發(fā)生；燒燙現(xiàn)象。滿足專業(yè)攝影、攝像要求； LED 光源為固體發(fā)光器件，可分為冷白色、暖白色與彩色三種類型； 燈具用電量低，比傳統(tǒng)鹵素?zé)艄?jié)能50%； 采用DMX512 信號控制和本地控制兩種方式控制亮度，亮度調(diào)節(jié)范圍0255；80技術(shù)參數(shù)：額定電壓220 V額定頻率50 Hz額定功率150 W 控制信號DMX51281光學(xué)性能：1.燈具出光角度（暖白色）：8距離(m) 中心照度(Lux) 總光通量（lm） 有效光通量（lm）2 7332 913 894 4 18336 8158 45810 2932.燈具出光角度（暖白色）：22距離(m)

20、中心照度(Lux) 總光通量（lm） 有效光通量（lm）2 2742 1038 10214 6856 3048 17110 109825現(xiàn)狀技術(shù)參數(shù)：額定電壓220V額定頻率50Hz額定功率500W功率因數(shù) 0.9 控制信號 DMX512 8384CCTV應(yīng)用情況2008年10月新臺址做應(yīng)用測評19演播室試用2009年8月,17演播室俄語頻道采用2009年9月,確定新臺址18個250平米(含)全部采用2009年10月,采用2009年12月,中央電視臺立項(xiàng)開始應(yīng)用研究2010年初,新聞250平米演播室改造2010年2月,冬奧會.2010年4月,33演播室(英語頻道)2010年6月,18演播室(虛

21、擬演播室)858687其它單位應(yīng)用天津電視臺齊魯電視臺長安大戲院888990三LED照明燈具對電視演播室燈光系統(tǒng)的影響LED照明燈具應(yīng)用于電視演播室基礎(chǔ)燈光勢在必行，是任何理由都無法不可阻擋其發(fā)展的。LED照明燈具的應(yīng)用對電視演播室燈光系統(tǒng)會產(chǎn)生革命性的變化。歸結(jié)起來，有以下幾點(diǎn)。 911配電系統(tǒng)的變化電視演播室燈光的用電量占相當(dāng)大的比重。例如，每年的中央電視臺春節(jié)聯(lián)歡晚會，使用傳統(tǒng)燈具用電量在1000KW左右，如果用節(jié)電80%的LED照明燈具來替代，其結(jié)果可想而知。由此帶來的還有配電機(jī)房的減小或取消，節(jié)省了燈光機(jī)房的占用面積。 922取消調(diào)光立柜LED燈具的調(diào)光控制采用的是DMX512通訊協(xié)

22、議，可通過調(diào)光臺DMX512輸出口直接控制燈具的亮暗。在演播室使用了幾十年用來控制鹵鎢燈具的、且對演播室其他設(shè)備造成干擾的、不得已而使用的可控硅調(diào)光技術(shù)將退出歷史舞臺，剛剛起步的正弦波調(diào)光在電視臺也沒了市場，調(diào)光立柜隨之取消，專門的調(diào)光機(jī)房也就可以用作它用。933空調(diào)系統(tǒng)的變化演播室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)主要是為燈光設(shè)置的。傳統(tǒng)的鹵鎢燈泡消耗的電能有很大一部分要轉(zhuǎn)化為紅外輻射，因此在演播室內(nèi)要產(chǎn)生大量的熱量。如果沒有空調(diào)系統(tǒng)的及時排熱LED幾乎不產(chǎn)生紅外熱輻射，雖然LED燈具還存在散熱問題，但由于其發(fā)光效率高等特點(diǎn)，使得采用LED照明燈具的電視演播室環(huán)境溫度會大大降低，。944增大演播室空間演播室的高度

23、要求是給空調(diào)風(fēng)筒留出很大空間的采用LED照明燈具，省去了巨大的換風(fēng)系統(tǒng)，演播室的高度可以減低許多，演播室的有效使用面積也會得到擴(kuò)充，能提高演播室的空間利用率。955綜合布線的變化演播室的綜合布線系統(tǒng)的電源線纜一般采用36m阻燃電纜，且需要“一路一線”方式（調(diào)光原因），還需要經(jīng)過很多連線接口。價格因素，敷設(shè)難度。采用LED照明燈具后用電量大大降低，使用的線纜自然要變細(xì)，或者采用多個燈具使用一條線的供電方式，使得演播室電力布線簡單容易，會大大降低安裝成本和運(yùn)行成本。966燈具一次性投入較大 LED照明燈具的價格與鹵鎢燈具相比還很高，這使得電視演播室的燈具一次性資金投入會變大，但考慮到配電系統(tǒng)、調(diào)光系統(tǒng)等因素的簡化或取消，綜合起來也不會增加太多。另外，LED照明燈具的長壽命，使得演播室的運(yùn)行維護(hù)成本會大大降低。 97四、演播室對燈具的一般要求在中小型演播室采用LED光源燈具。大中型演播室因投光距離較遠(yuǎn)，目前還不能完全用LED燈具照明，但可以采用混合方式，對照度要求不高的區(qū)域（例如觀眾區(qū)等）采用LED燈具照明。LED燈具應(yīng)選用光效高、光斑質(zhì)量好、無明顯色差，光束效果好、無明顯畸變的燈具。光源色溫可根據(jù)要求采用固定模式和可調(diào)模式兩種：固定模式3050150K或5600200K