白光LED照明是否該降降溫?
時下對于節(jié)能產(chǎn)品,全社會最為關注的莫過于被稱為第四代光源的LED,在產(chǎn)業(yè)資本和政府補貼的雙重推動下,近幾年來實現(xiàn)了爆發(fā)式的增長??烧媸秋L起云涌,光艷、叱咤與時尚。
然而在一片欣喜之中,白光LED真的如我們期待的那樣嗎?替代熒光傳統(tǒng)光源指日可待了嗎?我看未必。而且需要適當降降溫。更況且市場上的LED產(chǎn)品優(yōu)劣參差不齊,品質(zhì)實在讓人擔憂。消費者往往無所適從,受傷的最終還是消費者。
我并不反對LED,但我覺得LED現(xiàn)在是過于炒作了,夸大宣傳,優(yōu)點過于放大。
這樣只能將 LED 行業(yè)引向歧途,不正視 LED 存在的問題,只能延緩 LED 應用
的發(fā)展。
在替代裝飾類如鹵素光源方面優(yōu)勢是比較明顯的,因為比起鹵素光源的發(fā)熱與耗能,確實是優(yōu)勢突出,安全與節(jié)能。這毫無疑問。但白光LED它能否成為主照明?我覺得還需慎重,我們現(xiàn)在就來探討一下LED。
LED(Light Emitting Diode),發(fā)光二極管,簡稱LED,,是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。主要由帶PN結結構的固體半導體----芯片(半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體,在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個“P-N結”),電極和光學系統(tǒng)組成。外部電源給PN結兩端加以正向電壓,使電流從P區(qū)流入N區(qū),N區(qū)不斷注入電子,P區(qū)則不斷注入正電荷,當電子和電荷的能量達到一定值時,PN結處的電子與電荷便產(chǎn)生跨越,此時,電子與空穴相結合,在結合的過程中產(chǎn)生大量的能量,而這些能量以光的形式釋放出來,這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色,是由形成P-N結的材料決定的。
它本是一種通過控制半導體發(fā)光的顯示方式,用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的屏幕顯示。由于具有容易控制、低壓直流驅(qū)動、組合后色彩表現(xiàn)豐富、使用壽命長等優(yōu)點,廣泛應用于城市各工程中、大屏幕顯示系統(tǒng)。LED可以作為顯示屏,在計算機控制下,顯示色彩變化萬千的視頻和圖片,或者用于指示、裝飾等輔助照明。
但目前向主照明方向發(fā)展,我們就不得不考量一番了。首先,應用在主照明的白光LED的形成目前比較主流有如下兩種:
第一種方式:利用RGB三基色混合成白光。利用紅、綠、藍三種LED芯片組合,封裝在一個二極管中,按照紅光、綠光、藍光分別是21%、69%、10%的比例,混合成人眼看到的純白色光,只要通過各色芯片的電流穩(wěn)定,散熱較好,那么這種方式產(chǎn)生的白光穩(wěn)定且制作簡單,但是,由于紅、綠、藍三種芯片的光衰不同,控制通過LED電流大小的驅(qū)動器性能品質(zhì)要求較高,而且由于生產(chǎn)工藝的原因,目前的技術無法達到全色譜的效果,所以,一般不采用此方式。
第二種方式:利用熒光粉實現(xiàn)白光。此方式又有三種實現(xiàn)方法。其中主流的方法是:在LED藍光芯片上涂覆釔鋁石榴熒光粉(黃色熒光粉)合成白光。目前主要做法是以460nm波長的InGaN藍光晶粒涂上一層YAG熒光物質(zhì),利用藍光LED照射此一熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍光互補的550nm波長黃光。再利用透鏡原理將互補的黃光、藍光予以混合,便可得出肉眼所需的白光。這是目前最主流的白光LED應用技術。
以上兩者其實都是希望達到白光的效果,只不過一個是直接以白光(熒光粉)呈現(xiàn),另一個則是以紅綠藍三色混光而成。
此外,也有紫外LED配合RGB熒光粉,但是衰減問題與紫外線對人體影響,都是短期內(nèi)比較難解決的問題,因此雖然都可以達到白光的需求,卻有不同的結果。
不管是以哪種方式,它總是有一定的藍光,說到藍光,很多人就覺得它對人眼有一定危害。那么我們現(xiàn)在就說說藍光,它究竟是什么樣的一種光?為什么有危害?
什么是藍光?藍光是波長為400~500nm的高能量可見光。我們舉一個例子認識一下藍光。有一種現(xiàn)象,舀一勺海水看看,海水既不是藍色的,也不是白色的,海水就像自來水一樣,是無色透明的。但為什么海水看上去是藍色的呢?這是太陽藍光在起作用。太陽光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光組成的。當太陽光照射到大海上,紅光、橙光這些波長較長的光,能繞過一切阻礙,勇往直前。它們在前進的過程中,不斷被海水和海里的生物所吸收。而像藍光、紫光這些波長較短的光,雖然也有一部分被海水和海藻等吸收,但是大部分一遇到海水的阻礙就紛紛散射到周圍去了,或者干脆被反射回來了。我們看到的就是這部分被散射或被反射出來的光。海水越深,被散射和反射的藍光就越多,所以,大海看上去是藍色的。
這就有人說了,太陽也有藍光嘛。的確,太陽確實是有藍光,正是因為太陽有藍光、紫光的存在,我們才沒有見過有人會長時間呆在陽光底下閱讀、看電視或用電腦。就算是在太陽底下工作,也要戴個草帽什么的遮遮。因為眼睛會受不了,皮膚也受不了。要不然,大家可以試一下在陽光底下看電視一兩個小時看看。
就如長時間使用電腦或LED臺燈等,眼睛會出現(xiàn)疲勞、干澀、刺痛等癥狀,為什么呢?因為人眼最不能接受的是藍光和UV光,藍光殺傷人眼活性細胞的能力是綠光的10倍,而UV光殺傷人眼活性細胞的能力又是藍光的10倍,長期接觸大量低波長的藍光能大量殺傷人眼活性細胞。即使到時多吃有利眼睛的食品也會無作用。
而LED臺燈的光源發(fā)射的白光之所以能夠形成主要是靠450~460nm波長的藍光激發(fā)熒光粉,其中波長越低擊發(fā)能力越強。通常LED光源的出廠波長控制在500nm之內(nèi),一般是450~455nm或455~460nm,都屬于輻射傷害最強的區(qū)段。如果波長變大,那么激發(fā)熒光粉的能力就下降,發(fā)光效率就會降低。生產(chǎn)廠家為了追求亮度,通常會加強LED光源的藍光強度,人眼如果長期看這樣的光源,難免眼睛會受到藍光傷害,會出現(xiàn)疲勞、干澀、刺痛等癥狀。而且色溫越高,藍光所占比例越高。
另外,LED臺燈點燈的時間越長,光源中的熒光粉衰減越快,結果就會導致人眼接觸的藍光波段的光照越來越強烈,從而對人眼造成傷害。所以眼睛長期看LED光源,容易讓人產(chǎn)生頭暈眼花、不舒服的感覺,甚至會造成眼晴傷害,使得患眼病的機率會有所提高。提醒,不要讓眼睛長時間注視過亮的LED光源,以免眼睛受到傷害。
LED還有一個特點,在這順便提一下,就是LED光不招蟲。這蟲子都怕或不喜歡的光,我們?nèi)搜劬筒慌?、就喜歡啊?
所以,家庭LED照明盡量少用。當然,也有人說可能是人們還不習慣這種光,為了節(jié)能環(huán)保,我們?nèi)ミm應LED光源環(huán)境也不是不可以,但有個前提就是這光源是健康的,要不然為了行業(yè)發(fā)展和商業(yè)利益而犧牲消費者的健康將是得不償失的。
眼睛不像自然環(huán)境,可以先污染再治理,一旦受到損害,基本都是不可逆轉(zhuǎn)的終身遺憾。產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,失去理性的奔跑注定是會摔跤的,之前還風光無限的光伏企業(yè),目前掙扎在破產(chǎn)的邊緣,更早一點,乳品行業(yè)也曾以低標準來換得高速擴張,結果一個三聚氰胺事件毀掉了整個行業(yè)的聲譽,人們有越來越多的擔心,LED千萬不要成為下一個!
對于LED燈具光生物安全性分類(危害性進行測試、分類)測試。各生產(chǎn)廠家可依據(jù)IEC 62471:2006標準進行??纯此a(chǎn)的LED燈具是否有危害或危害程度是幾類。商家或用戶最好是讓生產(chǎn)廠家提供測試報告,也清楚準備購買或正在使用的LED燈具是否安全。測試項目如下:
4.3 輻射危害的曝輻限值。燈分類:豁免類、1類危險(低危險)、2類危險(中度危險、3類危險(高危險):
4.3.1 皮膚和眼睛的光化學紫外危害曝輻限值;
4.3.2 眼睛的近紫外危害曝輻限值;
4.3.3 視網(wǎng)膜藍光危害曝輻限值;
4.3.5 視網(wǎng)膜熱危害曝輻限值;
4.3.7 眼睛的紅外輻射危害曝輻限值;
4.3.8 皮膚熱危害曝輻限值;
5.2.1 輻照度測量:危害名稱
a:光化學UV皮膚和眼睛;
b:眼睛UV-A;
c:藍光小光源;
d:眼睛紅外;
e:皮膚熱。
5.2.2 輻亮度測量:危害名稱
a:藍光;
b:視網(wǎng)膜熱;
c:視網(wǎng)膜熱(微弱視刺激);
現(xiàn)在我們對白光LED光環(huán)境有一定的了解。我們再看白光LED的第二個問題。光衰與壽命。
一般LED商家宣傳資料上都說壽命長達3萬小時以上,光源的有效壽命一般是指光源的總光通量下降到初始值(其實也就是光通維持率)的70%時的總共點燃時間。單顆LED芯片壽命的確很長,但要讓LED發(fā)光還有其它條件。我們無法回避的是LED光衰快與驅(qū)動電子元件能否堅持3萬小時?LED光衰是指LED經(jīng)過一段時間的點亮后,其光強會比原來的光強要低,而低了的部分就是LED的光衰. 一般LED封裝廠家做測試是在實驗室的條件下(25℃的常溫下),以20mA的直流電連續(xù)點亮LED 1000小時來對比其點亮前后的光強。好些的熒光燈2000小時的光通維持率在90%左右,但LED 2000小時的光通維持率在75%以上就很不錯了。到了1萬小時就算驅(qū)動不壞,LED的光通維持率如只有50%甚至更低,還節(jié)能嗎?你還能接受這亮度嗎?當前,白光 LED 的光衰,主要有下列因素引起:
1、熒光粉在較高溫度下的性能衰退;
2、藍光 LED 自身的快速衰退;
3、LED 封裝底座(支架)材料的導熱不良;
4、封裝的其它材料引起光衰退;
5、封裝工藝引起光衰退;
6、應用不當,如供電不當、散熱不良等;
7、紫外輻射對 LED 的影響是微弱的、長期的。
以上這些要解決也不是一件很容易的事情。另外,LED戶外照明的防雷擊也是不得不考慮的問題,因為LED對靜電比較敏感。
第三個問題就是光效。LED光效高,所以節(jié)能。的確,高光效是推崇白光LED成為主照明人士所津津樂道的。但實際上市場上賣的LED產(chǎn)品光效真如人們想象的那么高嗎?高光效與長壽命光衰之間找到了平衡點?2013年2月份中國賽西(廣州)實驗室的一份測試結果:四個廠家同樣的3W LED天花燈最低的光效只有24.1(lm/W,)!好的也就60.1(lm/W)。平均也就46.725(lm/W)。附3W天花燈測試報告統(tǒng)計數(shù)據(jù):
型號5033NADL954MW5028HSD590平均值
輸入電壓(V)220.9220.08220.08220.08220.285
輸入電流(A)0.034640.037160.044520.042830.0397875
功率(W)3.442.813.954.173.5925
功率因數(shù)0.450.340.400.450.41
總光通量(lm)20368238182172.75
發(fā)光效能(lm/W)59.024.160.143.746.725
色品坐標X;0.31420.31390.30590.30980.31095
Y:0.33820.32090.31550.32130.323975
相關色溫63696499704667376662.75
顯色指數(shù)(K)71.265.378.972.171.875
光束角(°)Horizontal:24.320.027.129.325.175
Vertical:22.619.928.429.825.175
這高嗎?顯然不高。當然,這可能只是個別幾個廠家的LED產(chǎn)品水平,不能代表整個LED行業(yè)標準.但這說明什么呢?至少說明目前LED產(chǎn)品非?;祀s.消費者在選擇時很難判斷,很容易受傷.LED球泡燈光效做的比較好的在75(lm/W)左右,直管光效做的比較好的光效在82(lm/W),這跟熒光燈相比沒什么優(yōu)勢.但為什么人們會覺得LED會更亮些呢?主要是因為藍光部分強,肉眼感覺刺眼,就覺得更亮些。實際光效對比起來,節(jié)能燈、直管有過之而無不及。
我們再說LED環(huán)保,比起熒光燈確實環(huán)保些,因為熒光燈有汞,對環(huán)境有污染。LED技術在國外是絕對的領先,但讓人納悶的是:比國內(nèi)更注重環(huán)保的國外卻是LED應用在照明方面并不多見。莫非國外不懂?耐人尋味。現(xiàn)在LED進入門檻太低,什么公司、什么廠都在上LED照明項目,大到幾千人的大公司,小到三兩個人的小加工作坊,都在做LED照明燈具。行業(yè)過于混亂,技術低下,粗制濫造,質(zhì)量根本無法保障。有的根本不是在節(jié)能環(huán)保,而是在制造電子垃圾,對節(jié)能環(huán)保無一益處,反而給后續(xù)處理會造成極大麻煩。不要說小廠、小加工作坊,就連有些大公司對于回收處理LED也沒有實質(zhì)性可操作的具體方案。LED照明產(chǎn)品回收承諾書對于一些生產(chǎn)廠家來說也只是一紙空文而已。
而且,LED照明的關鍵指標:結溫、光效、色溫、壽命等幾項參數(shù)急需解決。也不是一些小廠或小加工作坊就能解決的問題。
結溫:是指芯片PN結的平均溫度,用Tj表示,即半導體芯片工作時結點區(qū)溫度,包括芯片本身允許最大結點工作溫度和LED工作時芯片的實際結點工作溫度兩方面。LED結溫的控制直接影響到LED出光效率,器件壽命、可靠性、發(fā)射波長等。是LED器件封裝和照明器件應用設計必須著重解決的核心問題。
LED光效:LED的實際光效會隨著結點溫度的升高而降低。
LED色溫:LED芯片發(fā)光的色溫會隨著結點溫度的變化而發(fā)生變化(色溫漂移)。白光LED受制造技術及生產(chǎn)工藝的限制,存在色差在所難免,控制其一致性是比較困難的。當然,色差越小,光色就越好。而且由于LED燈具一般為多個甚至幾十上百個芯片組成,如其中某幾只芯片有問題亮度暗或不亮,就會影響整體燈具的照明效果。
LED壽命:LED芯片的實際工作結點溫度越高,超出芯片的最大工作結溫時,壽命將急速下降。
LED的散熱:解決散熱問題是LED照明產(chǎn)品設計的核心內(nèi)容。而熱阻是反映導熱材料熱量傳遞能力的綜合參量。單位:℃/W,即物體持續(xù)傳熱功率為1W時,導熱路徑兩端的溫差.不同材料,導熱能力有所差異,每種材料都有它自身的導熱系數(shù).導熱系數(shù)越高,導熱能力就越強.LED的總熱阻是芯片內(nèi)外各層的熱阻之和??偀嶙璩伺c各層的導熱系數(shù)有關外,還取決于各層間結合的緊密程度。如果層與層之間結合得不夠緊密的話,熱傳導就會受阻。
熱阻同時還與散熱面積有關,散熱面積越大,散熱就越好。LED照明產(chǎn)品散熱通過合理科學的結構設計,運用對流換熱的原理,可加速LED光源的散熱。對流換熱可利用“煙囪效應”的熱空氣對流原理,加速LED光源產(chǎn)品的散熱,降低LED光源的工作溫度。實踐證明,采用該技術的LED光源工作性能更加穩(wěn)定。“煙囪效應”就是戶內(nèi)空氣沿著有垂直坡度的空間上升或下降,造成空氣加強對流的現(xiàn)象,稱為“煙囪效應”,也就是氣壓原理的延伸。
目前廣東省LED直管標桿指標如下,各生產(chǎn)廠家可參考其指標檢驗自身的產(chǎn)品情況。
1、平均系統(tǒng)光效。依據(jù)GB/T 9468-2008;
2、色容差。依據(jù)GB/T 7922-2008;
3、平均初始顯色指數(shù)。依據(jù)GB/T 9468-2008;
4、功率因數(shù)。參照GB 17625.1-2003;
5、空間色度不一致性。參照LM-79-08和GB/T 9468-2008;
6、最大亮度。參照GB/T 9468-2008和GB/T 5700-2008;
7、亮度均勻性。參照GB/T 9468-2008和GB/T 5700-2008;
8、藍光危害。依據(jù)GB/T 20145-2006。
故,我們應該正視白光LED存在的問題,不要回避,認真去解決。用其所長,避其所短。我們不否認LED的優(yōu)點,但也不能因為它具有某些優(yōu)點就全面開花,要不然,消費者醒悟之時便是白光LED泡沫破裂之時。
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