led通用照明的要素分析

led通用照明的要素分析

0led照明企業(yè)的現(xiàn)狀低碳照明是世界照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主旋律。它的強(qiáng)大是非常先進(jìn)的，深受世界各國人民的喜愛。這是時(shí)代的必然要求。然而,在迅猛發(fā)展起來的成千上萬的LED照明企業(yè)中,產(chǎn)品魚龍混雜,使消費(fèi)者真?zhèn)坞y辨。因而,正確理解LED通用照明的要素,有利于LED照明事業(yè)沿著可持續(xù)發(fā)展道路前進(jìn)。1led的封裝LED通用照明是系統(tǒng)工程,其照明產(chǎn)品主要由光源(芯片+封裝)、光源集成(或模組)、驅(qū)動、燈具總成(配光+散熱+總裝結(jié)構(gòu)+外殼)四大部分組成。封裝的重要性:LED通用照明光源一般由非白光的芯片通過一系列的封裝工藝制成,目前普遍采用的方法是在發(fā)藍(lán)光的芯片上涂覆黃色的熒光粉產(chǎn)生白光。由于LED通用照明需要的是白光,而芯片本身發(fā)出的并不是白光,必須通過封裝才能得到LED通用照明所需要的白光,因而封裝對于LED通用照明的光源至關(guān)重要。光有一個(gè)好的芯片,如封裝不過關(guān),則前功盡棄。而雖然不是最頂級的芯片,但封裝頂級,照樣可以做出一流的光源。所以在一定的芯片條件下,封裝是關(guān)鍵。封裝決定了LED通用照明光源品質(zhì)的優(yōu)劣和性價(jià)比。LED芯片的特點(diǎn)是發(fā)光效率高,除了發(fā)光就是發(fā)熱,沒有紫外、紅外及其他的輻射能量。由于LED的發(fā)光效率和使用壽命隨著LED工作溫度的上升而下降,因而如何降低LED芯片的工作溫度,也就是通常講的LED的散熱很重要,LED的封裝結(jié)構(gòu)和形式?jīng)Q定了LED散熱效果的優(yōu)劣和性價(jià)比。通常的LED芯片是一個(gè)六面發(fā)光體,其厚度基本不變,因而LED芯片單個(gè)體積越小,其表面積和體積之比就越大,發(fā)光效率也就越高。另外考慮到LED芯片材料生長和散熱的要求,目前都將單個(gè)LED芯片制成較小的尺寸,小尺寸的LED芯片相對發(fā)光效率高。由于目前LED通用照明光源所需的功率大于單個(gè)LED芯片的功率,因而必須將多個(gè)LED芯片或光源制成集成或模組的形式來得到LED通用照明光源所需的功率。集成或模組的LED光源必須通過與其匹配的驅(qū)動供給其所需的電源才能正常工作。LED光源集成或模組和驅(qū)動又需要組裝在LED燈具總成中,形成對LED的散熱和對外部供電電源的連接,以方便使用。作為LED照明燈具,還必須考慮到LED所發(fā)出光通的分布和配置,或稱配光。研究了以上各個(gè)因素相互間的影響,總結(jié)歸納如下:LED的封裝結(jié)構(gòu)和形式?jīng)Q定了LED光源集成和模組的結(jié)構(gòu)和形式,決定了LED的配光結(jié)構(gòu)和形式。封裝結(jié)構(gòu)會影響到驅(qū)動的結(jié)構(gòu)和形式,也會影響到燈具總成的結(jié)構(gòu)和形式,從而影響到整個(gè)LED照明產(chǎn)品的性能和性價(jià)比。2led照明性能預(yù)測LED照明的目的是實(shí)現(xiàn)低碳照明,節(jié)能環(huán)保,所以其發(fā)光效率十分重要。我國照明界的行業(yè)組織對我國LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出“質(zhì)量、效率、創(chuàng)新、發(fā)展”的指導(dǎo)思想,其對效率的重視是非常正確的。1)LED光源光效和燈具能效的差別本文中提到的愛得瓦LED照明產(chǎn)品的光效和美國能源部(DOE)“LightingFacts”網(wǎng)站中所指的光效都是指燈具能效或稱為系統(tǒng)光效。目前由于沒有統(tǒng)一的宣傳光效的國際和國家標(biāo)準(zhǔn),絕大部分LED照明燈具生產(chǎn)廠家沿用傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的習(xí)慣,仍舊采用光源的標(biāo)稱光效作為LED照明燈具的標(biāo)稱光效,相應(yīng)光源的標(biāo)稱光通作為LED照明燈具的標(biāo)稱光通。但是LED光源和傳統(tǒng)光源有很大的不同。LED芯片的發(fā)光效率隨其結(jié)溫升高而顯著降低,它的工作也離不開燈具,燈具的光路設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)對LED光源的發(fā)光情況密切相關(guān)?；贚ED照明的特點(diǎn),美國能源部倡導(dǎo)使用燈具能效作為評價(jià)依據(jù),2010年底我國發(fā)改委等國家三部委聯(lián)合主辦的LED照明應(yīng)用示范工程招標(biāo)也采用燈具能效(系統(tǒng)光效)作為評價(jià)依據(jù)。燈具能效定義為燈具輸出光通量除以燈具輸入功率,是用戶實(shí)際能得到的光效。對于相同光通量的燈具,燈具能效越高意味著越省電。2)燈具能效等參數(shù)的概念及它們之間的關(guān)系。燈具能效=燈具輸出光通量/燈具輸入功率表1是美國能源部提出的燈具能效預(yù)測摘要,這些預(yù)測目標(biāo)標(biāo)代表國際LED照明業(yè)界的最高水平。表1清楚地描述了燈具能效和LED光源光效以及合成效率間的關(guān)系?？梢钥闯鯨ED光源光效和燈具能效間有著明顯的差別。各參數(shù)的定義解釋如下:○LED光源光效:對于一般市場上銷售的LED,業(yè)界為了便于LED光通量參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一,用冷參數(shù)的測試條件,以脈寬為20-25毫秒的脈沖電流測試其光效,其目的是為了保持LED芯片PN結(jié)結(jié)溫的測試溫度為25°C,即測試時(shí)不讓芯片發(fā)熱,業(yè)內(nèi)也把在該測試條件下得到的LED光效稱作LED光源冷光效,相應(yīng)的光通稱作LED光源冷光通。芯片的發(fā)光效率隨芯片PN結(jié)的結(jié)溫的升高而下降,芯片越熱,發(fā)出的光越少。LED光效還和LED的相對色溫和顯色指數(shù)有關(guān),一般來說色溫低,顯色指數(shù)高,光效相對較低。LED光源光效=LED光源輸出光通量/LED光源輸入功率○芯片的熱效率:由于LED光源在實(shí)際工作條件下需要持續(xù)的工作電流,芯片會發(fā)熱,因而LED光源的發(fā)光效率會下降,用熱效率來描述,熱效率越高,發(fā)光效率下降越少。芯片熱效率=實(shí)際工作條件下LED光源光效/LED光源光效業(yè)內(nèi)也把在該工作條件下得到的LED光效稱作LED光源熱光效,相應(yīng)的光通稱作LED光源熱光通。LED光源熱光效=LED光源冷光效X芯片熱效率LED光源熱光通=LED光源冷光通X芯片熱效率○驅(qū)動器效率:為了與市電或其他供電電源匹配,需要專門的驅(qū)動器提供LED光源所要求的工作電流和電壓。驅(qū)動器自身有功耗,驅(qū)動器的輸出功率和輸入功率之比就是驅(qū)動器效率。驅(qū)動器效率=驅(qū)動輸出功率/驅(qū)動輸入功率燈具效率=燈具輸出光通量/燈具光源光通量○合成效率:以上芯片的熱效率、驅(qū)動器效率以及燈具效率的乘積稱為合成效率。合成效率反映了用市售LED光源制成為LED照明產(chǎn)品后,LED照明產(chǎn)品實(shí)際工作時(shí)達(dá)到的光效和市售LED光源光效的比值。合成效率=芯片熱效率X燈具效率X驅(qū)動器效率燈具能效也可表述為:燈具能效=LED光源光效X合成效率作為通俗的講法,可以將燈具能效稱作燈具熱光效,相應(yīng)的燈具輸出光通量稱作燈具熱光通。燈具熱光效=LED冷光效X合成效率燈具熱光通=燈具冷光通X合成效率讓我們再回到前面提到的某知名LED廠家的每瓦160流明的LED光效,假如其芯片的熱效率只有85%,合成效率為60%,那么其LED的燈具能效為每瓦96流明。3光通維持率壽命照明產(chǎn)品的壽命以小時(shí)為單位。對于傳統(tǒng)照明產(chǎn)品壽命的定義有兩種,一是按照其使用壽命為依據(jù),當(dāng)所使用的燈壞了一半(50%)時(shí)的使用時(shí)間稱為平均壽命。二是按照其光通維持率為依據(jù),稱為光通維持率壽命。光通維持率是指照明產(chǎn)品在燃點(diǎn)若干小時(shí)以后的光通量和初始光通量之比,通常用百分比值表示。由于照明產(chǎn)品的光通量一般來講會隨著燃點(diǎn)時(shí)間的加長而下降,因而光通維持率一般都小于100%。照明行業(yè)通常將光通維持率70%或50%定義為其光通維持率壽命,標(biāo)示為L50或L70。初始光通量的專業(yè)定義對于不同的光源是不一樣的,LED照明產(chǎn)品的初始光通為光源在零小時(shí)燃點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)的光通量。光衰是光通維持率的互補(bǔ),兩者之和為1。100%減去光通維持率就是光衰。如光通維持率70%就是光衰30%。白熾燈的壽命是平均壽命,品質(zhì)好的高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)的壽命為光通維持率壽命。由于品質(zhì)好的LED照明產(chǎn)品的平均壽命很長,因而美國能源之星(EnergyStar)和中國節(jié)能產(chǎn)品要求按照其光通維持率等于70%時(shí)的壽命作為燈壽命,能源之星將其定義為L70。4led光柵光照說明由于LED的工藝特點(diǎn)使得絕大部分LED的發(fā)光范圍等于或小于2π立體角(半球立體角),與傳統(tǒng)的白熾燈,熒光燈,緊湊型熒光燈(俗稱節(jié)能燈)的4π立體角(全球立體角)發(fā)光范圍不一樣。因而,大部分用LED制成的光源其發(fā)光范圍和傳統(tǒng)的光源也不一樣。如果隨便用一個(gè)LED燈去取代原有的白熾燈,熒光燈或節(jié)能燈,尤其是在取代用于類似帶布質(zhì)燈罩的床頭燈、臺燈或落地?zé)舻热臻g發(fā)光的燈具中的燈泡時(shí),其照明效果可能和原來的大相庭徑。對于一般非照明專業(yè)使用者,憑直覺就感受到LED光源的發(fā)光角度和原來的燈泡不一樣,因而產(chǎn)生了LED光源發(fā)光角度的問題。在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域中,照明專業(yè)人士將照明器具(光源或帶光源的燈具)的空間發(fā)光型態(tài)(俗稱的發(fā)光角度)用其空間光強(qiáng)的分布即配光來描述。對于簡單的旋轉(zhuǎn)對稱配光,如常用射燈的配光中,又將其配光曲線上光強(qiáng)為最大光強(qiáng)50%處的夾角稱為光束角或射角。5光柵顯色性能cri人類最早接觸到的光源是太陽這個(gè)自然光源,但人類出于自身發(fā)展的需求,創(chuàng)造出了人造光源,諸如蠟燭、油燈、氣燈、白熾燈、氣體放電燈、以及最近的LED燈。人們習(xí)慣了太陽光的顏色,太陽非常接近科學(xué)定義的黑體。光源的光色也就是色溫定義為黑體加溫到不同溫度時(shí)所呈現(xiàn)的顏色,稱為絕對色溫,用K氏溫度表示?？梢院唵蔚叵胂鬄殍F塊在爐子中加溫的情形,爐溫越低,鐵塊的顏色越暗,爐溫越高,鐵塊的顏色越白。隨著爐溫的升高,鐵塊的顏色由黑逐漸變紅、變白。由于人造光源的發(fā)光機(jī)理不是黑體加溫,只能用與絕對色溫相接近的光源的光色,(即稱為相對色溫)(CCT)來表示。色溫低,光色趨向于紅光,色溫高,光色趨向于白光。如白熾燈的色溫為2700K,常用的氣體放電燈日光燈的色溫為6500K。人們也習(xí)慣了在太陽光下看物體。由于人造光源的光譜組成(尤其是氣體放電燈和LED燈)和太陽光的光譜不同,因而對于同一個(gè)物體,人們在人造光源和太陽光下看到的顏色不一樣。具體的經(jīng)驗(yàn)是你身上穿的衣服的顏色,白天在室外看到的顏色和晚上在高壓鈉燈路燈下看到的顏色是不一樣的。為了描述人們對同樣的顏色在人造光源和太陽光下看到的相近性,即光源的顯色性能,人們發(fā)展了顯色指數(shù)(CRI)這一概念。國際照明委員會(CIE)在CIE13.3-1995,MethodofMeasuringandSpecifyingColourRenderingPropertiesofLightSources的文獻(xiàn)中以R1至R14共14種標(biāo)準(zhǔn)色樣作為評價(jià)光源顯色性能的測試色樣。R1至R14稱為其所代表的色樣的特殊顯色指數(shù)。顯色性能的優(yōu)劣用數(shù)字0至100表示,100表示最佳。通常光源的顯色指數(shù)用R1至R8八種特殊顯色指數(shù)的算術(shù)平均值Ra表示,稱為一般顯色指數(shù)。白熾燈的Ra接近100,鹵素?zé)晒夥蹮晒鉄舻腞a約60至70,三基色熒光粉熒光燈的Ra約80。一般LED燈的顯色指數(shù)隨色溫不同而不同,5000K的Ra約為70,6500k的Ra約為75。目前常用的白光LED是由發(fā)蘭光的LED芯片加上發(fā)黃光的熒光粉制成,其光譜成分中缺少紅光的成分。雖然制作成的高色溫的LED燈Ra可以大于80。但其R9都低于零,顯示物體被照時(shí)的顏色偏差很大。因而美國能源之星要求規(guī)定對于顯色指數(shù)要求大于80的LED室內(nèi)照明產(chǎn)品,除了其一般顯色指數(shù)Ra要大于80,代表紅色的特殊顯色指R9一定要大于零。對于現(xiàn)存顯色指數(shù)評價(jià)體系的缺陷,國際上的學(xué)者們正在探索更優(yōu)化的評價(jià)方法,如美國國家科學(xué)技術(shù)院(NIST)提出用顏色質(zhì)量衡量體系ColorQualityScale(CQS)來評價(jià)光源的顯色質(zhì)量等。6為什么要對具有容性電阻率的變壓器進(jìn)行補(bǔ)償功率因數(shù)的提出是由于在交流電路中應(yīng)用了諸如電容,電感等其電抗與工作頻率有關(guān)的元器件。功率因數(shù)的定義是用電設(shè)備的有功功率和視在功率之比。有功功率、視在功率、無功功率之間的關(guān)系是三角學(xué)中的勾股定理,其中有功功率是鄰邊,視在功率是斜邊,無功功率是對邊。有功功率平方與無功功率平方之和等于視在功率平方。有功功率和視在功率之間的夾角叫做φ,所以功率因數(shù)又可以表述為cosφ。在一定電壓的市電供電時(shí),功率因數(shù)也可簡化成有功電流和視在電流之比。理論上功率因數(shù)最大為1,最小為0,功率因數(shù)為0時(shí)表明用電設(shè)備不耗用有功電。根據(jù)負(fù)載的特性,功率因數(shù)又分為容性和感性兩種,容性和感性的功率因數(shù)有相互補(bǔ)償?shù)淖饔?在呈現(xiàn)感性功率因數(shù)負(fù)載的供電系統(tǒng)中加入一定數(shù)量的容性功率因數(shù)負(fù)載,能夠提高該供電系統(tǒng)的功率因數(shù),反之也一樣。這就是為什么在配電間內(nèi)用具有容性功率因數(shù)的電容柜對具有感性功率因數(shù)的變壓器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牡览?。但是補(bǔ)償必須恰到好處,不要補(bǔ)過了頭。功率因數(shù)為1時(shí),沒有無功電流,用電設(shè)備需要的電流等于電力公司供給的電流,沒有一點(diǎn)浪費(fèi)。無功電流是電力公司必須供給用電設(shè)備,但有功電度表又不計(jì)電費(fèi)的電流。由于傳輸電力的輸電線有電阻,電流流過時(shí)會發(fā)熱而產(chǎn)生電力的損耗。當(dāng)功率因數(shù)小于1時(shí),流經(jīng)輸電線的電流沒有被用電設(shè)備完全使用,其中一部分無功電流被有用電設(shè)備暫時(shí)存儲了起來,電度表雖然不走,但輸電過程中的損耗卻已經(jīng)發(fā)生。另外,如用電設(shè)備的功率因數(shù)都很低的話,電力公司發(fā)電的利用率就很低,能源資源浪費(fèi)就很大,更不符合節(jié)能環(huán)保的理念。出于對能源利用效率、經(jīng)濟(jì)效益、尤其是近年來節(jié)能環(huán)保的要求,電力系統(tǒng)對于用電設(shè)備的功率因數(shù)要求有日益提高的趨勢。但是否用電設(shè)備的功率因數(shù)越高越好?是否功率因數(shù)越高,能源利用效率、社會經(jīng)濟(jì)效益也必然會相應(yīng)提高呢?答案是否定的。只有從大局,從系統(tǒng)的全面考慮,才能取得最佳的社會經(jīng)濟(jì)效益和人類節(jié)能環(huán)保的貢獻(xiàn)。現(xiàn)在來分析一下以上結(jié)論的原因:原因一,對于提高容性負(fù)載和感性負(fù)載的功率因數(shù)是需要化代價(jià)的,提高功率因數(shù)的電路有成本;其次,提高功率因數(shù)的電路自身要消耗能量,在提高功率因數(shù)的同時(shí)會降低電路的效率。如果僅從單個(gè)用電設(shè)備來看,功率因數(shù)似乎越高越好。但絕大多數(shù)實(shí)際的用電單元如家庭、大樓、賓館、學(xué)校、工廠、小區(qū)等其用電設(shè)備是多種用電設(shè)備的集合,大多由阻性負(fù)載,容性負(fù)載和感性負(fù)載組成。阻性負(fù)載如白熾燈、電爐等;容性負(fù)載如臺式電腦,電視機(jī),音響設(shè)備,節(jié)能燈等;感性負(fù)載如變壓器、馬達(dá)、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)和傳統(tǒng)的使用電感鎮(zhèn)流器的日光燈等等。原因二,由于大多數(shù)的用電單元中大部分是感性負(fù)載,而最簡單的LED燈的驅(qū)動是容性的,可以和感性負(fù)載互補(bǔ)從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。并且這種容性驅(qū)動電路效率高,造價(jià)低,對于市場前景量大面廣的小功率LED燈具有很大的實(shí)用價(jià)值,必然會被大量的使用。況且照明用電一般情況只占總用電負(fù)荷的小部分,容許使用低功率的容性LED燈能夠取得比較優(yōu)化的系統(tǒng)效益?；谏鲜鲈?筆者向美國能源部提出對于低功率的LED燈具不設(shè)功率因數(shù)的要求。這也就是美國能源部在發(fā)布LED室內(nèi)照明產(chǎn)品能源之星正式要求時(shí),對小于5瓦的LED照明產(chǎn)品的功率因數(shù)沒有要求的依據(jù)。國家