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      LED光源在城市景觀照明中的應用

      發布時間:2014/09/18 作者:admin   [返回列表]
      一、照明工程中LED光源發展史
      LED(Light Emitting Diode),又稱發光二極管,是利用固體半導體芯片作為發光材料,當兩端施加正向電壓時,半導體中的載流子發生復合,放出過剩的能量而引起光子發射產生可見光、遠紅外、近紅外光,在照明工程中只利用了LED的可見光。
      1964年世界上第一支紅色發光二極管研制成功,之后出現了黃光LED,綠光LED。1994年藍光LED的研制成功使白光LED的開發成為可能。1996年日本Nichia(日亞)公司成功開發出二波長白光(基于藍光單晶片襯底上加以YAG黃色熒光粉混合產生白光)LED并成功實現商品化,同年在世界范圍內取得了該項技術的專利。目前發展的方向是無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產生白光的三波長白光LED,實現商品化后它將取代熒光燈、緊湊型節能熒光燈及二波長LED,成為新一代的光源。
        二、LED光源的基本特征
      1、發光效率高
        LED經過幾十年的技術改良,發光效率有了較大的提高。HP公司開發的應用TIP(Truncated Inverted Pyramid)晶粒結構的紅光LED發光效率達到100lm/w,綠光LED也可達到50lm/w,單個功率LED的光通量達到了幾十流明(白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24lm/w,熒光燈50~70lm/w),而且其光的單色性好、光譜窄,無需過濾可直接發出有色可見光。
      2、耗電量少
        LED單體功率0.03~0.06w,采用直流或脈沖直流驅動,單體驅動電壓1.5~4V,工作電流10-18mA,響應時間微秒級,可高頻操作。同樣照明的效果下,其耗電量是白熾燈泡的八分之一、熒光燈管的二分之一。就橋梁護欄燈為例,同樣效果的一支日光燈每米耗電40多W,而采用LED每米的功率只有6-8W(以100只?LED單體紅、綠、藍三色均布計算)。
      3、使用壽命長
        一般來講,普通白熾燈的壽命約為1000小時,熒光燈、高強度氣體放電燈的壽命也不超過1萬小時,LED的使用壽命可長達數萬小時,而且體積小、重量輕,采用環氧樹脂的封裝結構可承受高強度的機械沖擊和震動。LED燈具使用壽命可達5~10年,可以大大降低燈具的維護費用。
      4、安全可靠性高,控制方式靈活。
      LED屬冷光源發熱量低,無熱輻射,能精確控制光型及發光角度,光色柔和無眩光,不含汞、鈉元素等可能危害環境的物質。通過微處理(CPU)系統可以控制發光強度,調整發光方式。紅、綠、藍三色組合亮滅可實現8種變化效果,如采用灰度控制,理論上能產生256*256*25(16777216)種顏色效果,真正意義上實現了光與藝術的完美結合。
      除此之外,LED作為照明用光源還有一些難能可貴的優點,例如: 發光體接近點光源,便于燈具設計;發光響應時間短; 易于做成薄型燈具,節省安裝空間等。
      三、LED光源在城市景觀照明工程中的應用
      城市景觀照明追求的不是亮度,而是藝術的創意設計,LED產品應該能夠找到它的用武之地。發光角度小的LED方向性強,可作局部重點照明;在封裝材料中添入散射劑可以實現175度的發光角適合較大范圍內的照明,問題是目前城市夜景照明中建設單位過于追求高亮度難以給設計師提供足夠大的選擇范圍,目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有:
        1、線性發光燈具
        LED線性發光燈具(管、帶、幕墻燈等):產生的輪廓照明效果可以替代傳統的霓虹燈、鎂氖發光管、彩色熒光燈。常用產品額定工作電壓DC12V、24V(大部分為大功率開關電源供電,也有部分產品采用線性電源),AC220V;控制方式分為內控和外控,照明工程中一般采用幾十到幾百個的單體組合。LED線性發光燈具以其良好的耐候性、壽命期內極低的光衰、多變的色彩,具有流動變幻的照明效果在城市建筑的輪廓照明、橋梁的欄桿照明中得到了廣泛的應用。以一幢建筑物勾畫的輪廓燈為例,利用LED光源紅、綠、藍三基色組合原理,在微處理器控制下可以按不同模式加以變化,例如水波紋式連續變色、定時變色、漸變、瞬變等,形成夜晚的高樓大廈千姿百態的效果。
        2、裝飾草坪燈、景觀燈、球泡等
        在城市街道或綠地中,將發光的部位設計成環狀、帶狀等各種結構,局部照亮草坪; 同時成為白天環境中的裝飾元素。常用產品額定工作電壓AC220V,控制方式多為內控(在需要同步變化的場所可利用同步線實現強制同步)。實際工程中常與氣體放電燈光源配合作為裝飾性照明使用,利用草坪燈、景觀燈、球泡等各種不同造型、不同功能的LED光源可以組合成色彩絢麗的燈光幻影。這種“多色彩,多亮點,多圖案”的變化,體現了LED光源的特點。
        3、水下燈
        LED水下燈放在水下,用于水體的照明,防護水平應達到IP68。額定工作電壓DC12V。LED的低電壓工作特性使其比以往的任何燈具都要安全,壽命長的優點也使維修起來更加方便,產生的照明效果也比常用的PAR燈、氣體放電燈更為豐富。
        4、地面燈具:地埋燈、發光地磚、石燈等
        地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環境照明,另一方面可以作為發光裝飾照明或引導性功能照明。依據具體的地面鋪裝結構燈具的出光口面積可大可小。嵌入式石燈、地磚燈以切邊加工的方式與鋪裝的石材取得一致,達到環境與光源和諧統一的效果。目前部分產品已實現模數化設計,例如作為地面鋪裝層照明的發光地磚,產品的尺寸與地磚的尺寸相協調,即符合模數的要求:150×150; 200×200;200×100;300×300;400×200等。
        5、利用太陽能電池作為能源的LED燈具
        LED低耗電的特點使利用太陽能電池作為能源成為可能,極低的工作電壓省去了傳統光源必需的DC-AC轉換電路,使能源的利用率大大提高,擴大了燈具的應用范圍,節約能源,有利環境保護。
        四、LED在照明應用中存在的主要問題
        1、光通量有待進一步提高。LED的光效與高強度氣體放電燈(HID)相比仍有較大差距,采用LED作為照明光源,必須可以發出更多的光,必須具有更高的能量轉換效率,目前世界各國均加緊了對提高LED發光效率方面的研究。
        2、LED發出的光與自然光相比仍有一定的差距。自然光具有非常強的黃色光譜成分,給人一種溫暖的感覺;而白光LED發出的白光帶有較多的藍光成分,在這種光的照明下,人們的視覺不很自然。
        3、價格較高,這是影響LED照明燈具普及的主要原因。但是近年來隨著晶片生產技術的改良及各種專利技術的解禁(日本Nichia日亞公司的專利保護期至2006年),制造成本正在急劇下降,LED照明燈具正朝著高效率、低成本的方向發展,這為LED在照明領域的廣泛應用提供了有利條件。
        4、電光源技術與微電子技術的結合程度不夠,控制方式較為單調,控制手段比較原始。LED生產企業應重視微電子技術在光源控制領域的應用,可以借鑒LED戶外大型顯示屏的做法: 按占空比方式實現對若干個紅、綠、藍LED發光單元發光灰度進行控制,采用嵌入式微控制器,實現獨立的數字化控制,使其產生全彩動態變化的顯示效果。
        5、產品的一致性、可靠性有待提高。由于照明燈具需由多個LED單體組成,其參數離散性是一個重要的技術問題。除了通過預選、分類,盡量保證一致性以外,還必須設計合理的燈具結構(包括LED單體的排列和位置布局)和研究合適的驅動電路,防止偶然產生的能量集中而燒毀部分LED,此外由于多個LED單體組成一只照明燈具時,免不了對LED進行并聯、串聯。而在使用過程中只要有一個LED短路或開路(主要是開路),都將會導致整小片或整條LED工作點的變化,造成壽命縮短或熄滅,影響照明效果。為此必須研究簡單、廉價、有效的保護電路,將這種不良影響降低到最低限度。
        五、LED光源在夜景照明中的展望
        LED的發展歷史已經幾十年,但在夜景照明領域的應用還是新技術。隨著LED技術的迅猛發展,其發光效率的逐步提高,造價逐步降低,LED的應用市場將更加廣泛,特別是在全球能源短缺的背景下,LED光源在照明市場的應用前景備受矚目,被業界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場,將取代白熾燈、緊湊型節能燈和熒光燈,成為下一代的新型光源。
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