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  • 分类: 灯光设备

简介

发光二极管(英语:Light-Emitting Diode,缩写:LED)是一种能发光的半导体电子元件,透过三价与五价元素所组成的复合光源。此种电子元件早在1962年出现,早期只能够发出低光度的红光,被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本,时至今日,能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线,光度亦提高到相当高的程度。用途由初时的指示灯及显示板等逐渐发展至普通照明用途。

发光二极管只能够往一个方向导通(通电),叫作正向偏置(正向偏置),当电流流过时,电子与空穴在其内重合而发出单色光,这叫电致发光效应,而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率近年有所进步;每千流明成本,也因为大量的资金投入使价格下降,但成本仍远高于其他的传统照明。虽然如此,近年仍然越来越多被用在照明用途上。

LED的发展史

1961年,美国公司德州仪器的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。1962年,通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管。

1993年,日本日亚化学工业(日语:日亜化学工業)(Nichia Corporation)工作的中村修二成功把镁掺入,造出了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓(InGaN)、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。 2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管,带来了节能明亮的白色光源”, 中村修二与天野浩及赤崎勇得到诺贝尔物理学奖。

有了蓝光发光二极管后,白光发光二极管也随即面世,之后LED便朝增加光度的方向发展,当时一般的LED工作功率都小于30至60mW(毫瓦)。1999年输入功率达1W(瓦)的发光二极管商品化。这些发光二极管都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题,而半导体芯片都是被固定在金属片上,以助散热。

2002年,在市场上开始有5W的发光二极管的出现,而其效率大约是每W (瓦)18-22 Lm(流明)。

2003年9月,Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光发光二极管,在20mW下效率达35%。他们亦制造了一款达65 Lm/W(流明每瓦)的白光发光二极管商品,这是当时市场上最亮的白光发光二极管。2005年他们展示了一款白光发光二极管原型,在350mW下,创下了每瓦70 Lm的记录性效率。

2009年2月,日本发光二极管厂商日亚化学工业(日语:日亜化学工業)发表了效率高达249 Lm/W的发光二极管,此乃实验室数据。

2010年2月、Philips Lumileds造一白色LED在受控的实验室环境内,以标准测试条件及以350mA电流推动下得出208Lm/W,但由于该公司无透露当时的偏置电压,所未能得知其功率。

2012年4月、美国发光二极管大厂科锐(Cree)推出254 Lm/W光效再度刷新功率。

白光LED的生产技术

白光LED的生产技术目前主要有3种:

白光LED的成色原理

第一种:利用三基色原理和目前已能生产的红、绿、蓝三种超高亮度LED按光强3:1:6比例混合而成白色光。这样产生的白光发光二极管有较广的色域,而且光效较其他方法高,不过成本也比较高。近年在生产技术的改进下,越来越多产品采用这方法。

一般的三基色灯珠都是6只引脚的,还有一种三基色灯珠,把6个引脚中的3个做到了一起,称为“共用阴极”技术,简称“共阴”,这样的三基色灯珠有4个引脚,也比较容易辨认。

共用阴极三基色灯珠

第二种:是用紫外光LED照射两种荧光剂,使其中一种含铕的荧光剂产生红光和蓝光,同时使另外一种含铜的荧光剂产生绿光,三种颜色的光混合而成白光。 但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂劣化变质,所以生产难度较高,而且寿命也较短。与第一种方法比较,光波在转化过程中有较多被转化成热能,因此发光效率 较低,但好处是光谱的特性较佳,产生的光比较好看。而由于紫外光二极管功率较高,所以其总效率虽比第一种方法低,但最终的亮度却差不多。

第三种:也是最早问世的白光LED,利用超高亮度蓝色LED照射荧光剂,使它能激发出黄光,这种黄光能刺激人眼中的红色及绿色视锥细胞,给人的感觉好像是同时看到了红光和绿光一样,再混合剩余的蓝光,就产生了类似白光的“伪白光”。

而其所呈现的色泽常被称作“月光的白色”。基于其光谱缺乏红绿光的特性,红色和绿色的物体在这种发光二极管照射下看起来会不及宽带谱光源照射时那么鲜明。另外由于生产工艺的波动,这种发光二极管成品的色温并不统一,从暖黄色到冷蓝色都有,最后还要按成品的色温进行筛选。

白光LED

白光LED的光谱

先看下图伪白光LED的光谱与普通白炽灯光谱的对比,可以看出这种LED的光谱中红色光比较缺乏。

红光的波长介于620到750nm之间,在620到650nm这个比较窄的区间里,伪白光LED发出的橙红色光要略强于普通白炽灯,但在650到750nm这个广泛的区间内,白炽灯发出的正红色光要远远多过伪白光LED,而且波长越长,相对发光强度越大。超出750nm的部分,为肉眼不可见的红外线,普通白炽灯的光谱中含大量红外线,所以这种灯具发出的光具有很高的热能,在冬季养殖爬行动物经常会用它来加温,而伪白光LED在超出750nm的红外线部分几乎可以忽略不计,没有红外线产热,这也是人们将LED列为冷光源的重要原因之一。(LED灯珠还是会发热的,有些热量甚至很高,但LED发出的光线通常是不会产热的)水草最需要的是红色和蓝色光,伪白光LED能够提供充足的蓝色光,但是缺乏红光是一个致命的弱点,这往往成为伪白光LED灯具的一个短板,很多早期的LED水草灯具养草效果很差就是因为这个原因,另外因为它的光谱中较少红绿光,使得红色及绿色水草的显色也不大正常,这就更加雪上加霜,使得很多早期LED玩家出现一个认识上的误区就是LED灯没法养好水草,进而否定所有的LED灯具,其实这是不正确的想法,即便是伪白光LED,在灯珠数量足够多的情况下,也可以弥补红光缺乏的弱点,当然这种灯具绝对不会比普通的荧光灯省电,而且显色性也差一些,另外据说蓝光过多也容易导致某些藻类暴发,总体来说不大适合养水草,但是使用得当的话,也不是完全不可以的。值得注意的是,某些成品伪白光LED灯号称能够养水草,但是单个灯珠瓦数不大而且灯珠排列又特别稀疏,这样的LED灯只能用来养鱼,养水草的话可以说是惨不忍睹,阴性草都未必能够养活,这种灯多见于小型成品缸上,鱼友购买时要特别谨慎。

再来看一下三基色LED的光谱图:

可以看到蓝、绿、红3个明显的波峰,接下来再对比一下飞利浦965荧光灯的光谱图,它和我们常用的飞利浦865灯管光谱几乎一样,就是显色性更好,因为性价比的关系,人们更多会选择865而不是965灯管。

飞利浦965荧光灯的光谱图

可以看出,飞利浦965灯管的光谱与三基色LED灯的光谱没有太大区别,只是橙色光略多一点点而已。也就是说,能用飞利浦865灯管养好的水草,一般都能用三基色LED灯养好,只要功率足够就行。三基色LED灯也是三种LED灯中最适合养水草的(紫外光LED虽然也是靠紫外线照射荧光剂发出三原色光混合成白光,但其价格较高且寿命较短,市场上几乎买不到,而且它的各方面性能均不如三基色LED)。

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2016年12月02日 2162浏览 0编辑

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