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117班LED灯研究性课题


探究 LED 灯

第二学年度(2012——2013) 班级:117 班 组长:李绪 组员:谢铭震,王钺,李梓涵,黄冠杰,陈煌,蔡泽荣,王亿 铭 指导老师:吴逸虹

LED 是什么,也许很多人没有一个明确的认识,接下来,我们就为大家科普一下: LED(Light Emitting Diode) ,发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以

直接把电 转化为光。 LED 的心脏是一个半导体的晶片, 晶片的一端附在一个支架上, 一端是负极, 另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成, 一部分是 P 型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是 N 型半导体,在这边主要是 电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通过导线 作用于这个晶片的时候,电子就会被推向 P 区,在 P 区里电子跟空穴复合,然后就会以 光子的形式发出能量,这就是 LED 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色,是由形 成 P-N 结的材料决定的。因为 LED 灯发热量不高,把电能量尽可能地转化成了光能, 而普通的灯因发热量大把许多电能转化成了热能,白白浪费。对比而言,LED 照明就显 得节能。 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识, 第一个商用二极管产生于 1960 年。LED 是英文 light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致 发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内 部芯线的作用,所以 LED 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片, p 型半导体和 n 型 在 半导体之间有一个过渡层,称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中,注入的少数载 流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来, 从而把电能直接转换为 光能。PN 结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光 原理制作的二极管叫发光二极管,通称 LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上 正向电压) ,电流从 LED 阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的 光线,光的强弱与电流有关。 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示 屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英寸的红色交通信号 灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的 140 瓦白炽灯作为光源,它产生 2000 流 明的白光。 经红色滤光片后, 光损失 90%,只剩下 200 流明的红光。而在新设计的灯中, Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源,包括电路损失在内,共耗电 14 瓦,即可产 生同样的光效。汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。 对于一般照明而言, 人们更需要白色的光源。 1998 年发白光的 LED 开发成功。 这种 LED 是将 GaN 芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN 芯片发蓝光(λp=465nm, Wd=30nm) ,高温烧结制成的含 Ce3+的 YAG 荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射,峰 值 550nm。蓝光 LED 基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有 YAG 的树脂薄层,约 200-500nm。 LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的 黄光混合,可以得到得白光。对于 InGaN/YAG 白色 LED,通过改变 YAG 荧光粉的化 学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温 3500-10000K 的各色白光。这种通过蓝光 LED 得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,因此运用最多。

接下来就为大家介绍一下 LED 的背景:这一切开始于音乐年前,当电致发光现象最 早发现于 1907 年由一个英国实验者沪江圆,使用一个电气化探测在一块碳化硅晶体。 一 个可见的轴光这一切的开始。然而俄罗斯科学家可信地报道了第一次创建在 1927 年领 导。 在各种实验报告在 50 年代,美国实验者罗伯特· 布雷迪和加里· 皮特曼,工作在德州仪器在 1961 年发现,砷化镓发出红外辐射当电流应用,虽然这种光线是肉眼不可见的是允许大 规模采用领导了红外控制设备。 通用电气公司员工尼克霍罗姆雅克 Jr 在 1962 年制造了第一个实际可见红色 LED 节能 灯。 1968 年,孟山都公司第一次有组织的大规模生产可见 LED 节能灯使用砷化镓磷酸盐。 迅 速推入大规模采用手持设备如计算器,手表,数字显示的所有类型,但直到 1995 年左右,并 不被认为是亮光让任何替代传统的照明。 引入高亮度 LED 节能灯蓝色,表明 Nichia 公司和最终导致 2006 年技术奖,今天的中村修 二来照亮高科技 LED 照明都是基于这个研究。高输出蓝色 LED 节能灯已经彻底改变了 电脑产业的升级在蓝色光线技术。(第一个蓝色 LED 节能灯使用氮化镓是在 1971 年由 雅克· Pankove 在 RCA 实验室) LED 节能灯技术已逐渐从早期的第一代 DIP5 毫升 LED,有其固有的热管理问题到今天 MCOB 高产 LED 技术。 简单介绍完 LED 灯的背景之后,我们来说说 LED 灯有哪些优点,对我们的生活有哪 些帮助。 1、节能. 白光 LED 的能耗仅为白炽灯的 1/10,节能灯的 1/4.(不考虑整流损耗时,市 场大部分产品能耗为标示值× 1.2~2) 2、长寿.平均 寿命可达 5 万小时以上,对普通家庭照明可谓\"一劳永逸\". 3、可以工作在高速状态.节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉.

led 节能灯 4、固态封装,属于冷光源类型。所以它很方便运输和安装,不怕振动。 5、LED 技术正日新月异的在进步,它的发光效率正在取得惊人的突破,价格也在不断 的降低。一个 LED 进入家庭的时代正在迅速到来。 6、环保,没有汞的有害物质。LED 灯泡的组装部件可以非常容易的拆装,不用厂家回 收都可以通过其它人回收。

7、配光技术使 LED 点光源扩展为面光源,增大发光面,消除眩光,升华视觉效果,消 除视觉疲劳; 8、透镜与灯罩一体化设计。透镜同时具备聚光与防护作用,避免了光的重复浪费,让 产品更加简洁美观; 9、大功率 LED 平面集群封装,及散热器与灯座一体化设计。充分保障了 LED 散热要 求及使用寿命,从根本上满足了 LED 灯具结构及造型的任意设计,极具 LED 灯具的鲜 明特色; 10、节能显著。采用超高亮大功率 LED 光源,配合高效率电源,比传统白炽灯节电 80% 以上,相同功率下亮度是白炽灯的 10 倍; 11、 超长寿命 50,000 小时以上,是传统钨丝灯的 50 倍以上。LED 采用高可靠的先进 封装工艺—共晶焊,充分保障 LED 的超长寿命; 12、无频闪。纯直流工作,消除了传统光源频闪引起的视觉疲劳; 13、绿色环保。不含铅、汞等污染元素,对环境没有任何污染; 14、耐冲击,抗雷力强,无紫外线(UV)和红外线(IR)辐射。无灯丝及玻璃外壳, 没有传统灯管碎裂问题,对人体无伤害、无辐射。 15、低热电压下工作,安全可靠。表面温度≤60℃(环境温度 Ta=25℃时) ; 16、宽电压范围,全球通用。85V~ 264VAC 全电压范围恒流,保证寿命及亮度不受电压 波动影响; 17、采用 PWM 恒流技术,效率高,热量低,恒流精度高; 18、降低线路损耗,对电网无污染。功率因数≥0.9,谐波失真≤20%,EMI 符合全球指标, 降低了供电线路的电能损耗和避免了对电网的高频干扰污染; 19、通用标准灯头,可直接替换现有卤素灯、白炽灯、荧光灯; 20、发光效率可高达 801m/w,多种色温可选,显色指数高,显色性好; 当然,LED 灯也有它自身所存在的缺点,我们也为大家收集了一些资料。

1、LED 节能灯,需要相对应的散热器,在 LED 芯片本身发热量没有大的改善情况下, 需要在散热器的结构,热管技术的应用上,进一步的发展。 2、LED 节能灯,价格过高,LED 单体价格,铝制散热器,高效恒流电源,高透光率柔 和灯罩,四者成本集体推高 LED 成本。 3、大部分 LED 节能灯标示的功率均为 LED 芯片本身的功率总和,而非电源的输入功 率。部分不良厂商以劣质整流电路带动,会造成 LED 灯泡实际耗能远超节能灯甚至接 近白炽灯的水平。 市场上曾发现部分品牌 3W 节能灯, 使用 220V 电源输入电流高达 90mA (19.8W) 。 我们研究此次研究的目的,是研究 LED 灯与正常灯的区别,我们作了如下的分析: 日光灯两端各有一灯丝, 灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气, 灯管内壁上涂有萤光粉, 两个灯丝之间的气

LED 灯应用产品 体导电时发出紫外线,使萤光粉发出柔和的可见光。 日光灯工作特点:灯管开始点燃时需要一个高电压,正常发光时只允许通过不大的 电流,这时灯管两端的电压低于电源电压。 而 led 日光灯以质优、耐用、节能为主要特点,投射角度调节范围大,15W 的亮度 相当于普通 40W 日光灯。抗高温、防潮防水、防漏电。 使用电压有:110V、220V 可选, 外罩可选玻璃或 PC 材质。灯头与普通日光灯一样。 LED 日光灯采用最新的 LED 光源技术, 数位化外观设计, 节电高达 70%以上, 12W 的 LED 日光灯光强相当于 40W 的日光灯管(用于镇流器和启辉器, 36W 的日光灯真 正的耗电量为 42W 至 44W)。LED 日光灯寿命为普通灯管的 10 倍以上,几乎免维护, 无须经常更换灯管、镇流器、启辉器。绿色环保的半导体电光源,光线柔和,光谱纯, 有利于使用者的视力保护及身体健康。6000K 的冷光源给人视觉上清凉的感受,人性化 的照度差异设计,更有助于集中精神,提高效率。

我们采用表格形式,调查 LED 灯与普通灯在一定时间内所耗电的多少,并计算该段时 间内所花费电费和对比于普通日光灯所节约的费用 LED 日光灯对比传统日光灯节能对照表

传统日光灯 3500K-5000K 寿命 实际消耗功率 光通量 发光效率 售后服务 耗电量 每天总功耗 半年 52W 900LM 20LM/W 保七天 1248W

LED 日光灯 备注 5500K-6500K 7-10 年 20W 1800LM 100LM/W 保3年 480W 按每天工作 24 小时算 测试、室温、220 额定电压

3 年总功耗 3 年耗电量 3 年总电费 电费 3 年总节约电费 更换次数 灯具单价 更换镇流器 镇流器单价 更换总费用 节约维护费用

1366560W 1367 度 1367 元 / 6次 20 元 20 元 2次 15 元 15 元 150 元 /

525600W 526 度 526 元 841 元 0次 248 元 0 0 0 150 元 按商业用电 1 元/度,计算 6 年节约电费 1682 元 LED 日光灯 5 年内无需更换

结论

每根 45W 传统日光 1367+150=1517 元 继续使用仍会增加成本 灯 3 年费用 每根 18W LED 日光 还可继续使用到 5 年, 无需额 248+526=774 元 灯 3 年费用 外费用 LED 等发展的趋势也十分被看好,LED 光源是 21 世纪光源市场的希望,众多优点 预告其未来将逐步取代传统光源,奥科委指出高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽 灯泡之后,最伟大的发明之一,当前全球能源危机的时候,能源是一种宝贵的资源,所 以节约能源是我们未来面临的问题。 LED 作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势。 当然,LED 灯也有其发展的隐患,比如: 1、缺乏国家标准 我国缺乏 LED 照明产品的国家标准,质量认证标准缺失,直接导致市面上产品的质量 参差不齐,市场混乱,产品和市场都缺乏统一的标准来进行衡量和规范,这就影响了消 费者的购买信心。 同时也因为缺乏国家标准,无法进行质量认证,对于借力政策扶持来发展的 LED 产业 而言,就意味着不能进入政府采购的名单,丧失了政府采购的大市场。因此,缺乏必要 的产品国家标准,成为制约 LED 照明产品持续发展的主要问题。 2、价格过高 LED 的真正市场应当涵盖家居照明、 商业照明、 工业照明、 道路与户外照明等多个领域, 但是 LED 主要销售市场还是公共领域,而在家居照明这样需求量庞大的领域里却应用 得最少。 我国的 LED 节能灯价格还过高,根据市场状况,3W 的 LED 节能灯售价在 80 元左右, 这个价格相当于普通节能灯五六倍、更高出白炽灯 10 多倍。而这样的价格是不能被普 通家庭接受。价格就成为制约我国 LED 节能灯在家居照明领域发展的另一关键问题。 根据 LED 行业的 “摩尔定律”,每 18~24 个月 LED 的光输出亮度便会翻一番,而价格会 下降一半。据此预测分析,在国家补贴的支持下,按照 LED 的发展形势来讲,到 2012 年,家用照明领域的 LED 节能灯价格将大幅下降,价格的下降会拉动整个 LED 节能灯 在家用照明领域的需求,预计到 2010 年,随着产业的不断发展,LED 节能灯个人和家 庭用户将达到高峰。 3、产品缺乏核心技术,家用产品系列单一 LED 节能灯在我国家庭领域的应用还处于起步阶段, 而在国外家用领域的应用已经比较

成熟,很多国外的家庭都开始应用 LED 节能灯,主要是因为国外的电价很高,国外消 费者愿意接受 LED 节能灯。LED 在国内除了价格相对其他节能灯产品过高以外,产品 缺乏核心技术,产品线单一,市场还没有专用于家居照明的 LED 整体解决方案,缺乏 更多家用系列的产品也影响其在国内市场的发展。 9 月份上市的 Ledino 家居照明系列,是市场上第一个应用于家居照明的高功率 LED 整 体解决方案, 其中一款 Ledino 桌灯更在 2013 年 1 月被美国时代杂志评为最具创新的 LED 照明产品,成为引领时尚创新潮流的代表作。相信随着更多 LED 节能灯产品系列在国 内上市,LED 节能灯在家居产品的应用将越来越多。 4、消费者认知度差 作为世界照明电器第一大生产国、第二大出口国的中国,2003 年成立了国家 LED 照明 工程协调领导小组,正式启动国家 LED 照明工程。但现实却很不乐观,我国经济发达 地区的城市约 70%用户启用节能灯,农村和不发达地区 80%仍用白炽灯,很多消费者根 本没听说过 LED 节能灯,这说明我国 LED 节能灯还存在巨大的潜在市场。但是由于消 费者对 LED 节能灯认知度低,厂商缺乏对 LED 节能灯在家用领域的宣传和推广,也成 为影响 LED 节能灯在家用领域的应用的重要问题。 LED 灯是当前最节能的照明产品,由于可以将电能直接转化光能,节电可达 80%,寿命 在十年以上。LED 节能灯的优势和国家的政策扶持,使得我国 LED 节能灯蕴含着巨大 的潜在市场。我国的 LED 节能灯产业需要尽快建立国家标准来规范市场;同时大力进 行科研攻关,提升产品的核心竞争力,丰富 LED 节能灯在家用领域应用的产品系列; 加大推广力度,让更多的消费者了解 LED 节能灯的优势,转变他们对节能产品观念的 认识;不断提高生产工艺,降低产品价格,让更多普通家庭可以用上 LED 节能灯。只 要解决好这些问题,相信我国的 LED 节能灯产业将迎来新的发展机遇。

所以,从技术上来,LED 灯与普通节能灯,各具优势,在一定时期间,应该不会取 代节能灯;但 LED 灯的成本会随着 LED 技术的不断提高而降低,LED 灯将可以给越来 越多的用户所接受,并在一定程度上取替白炽灯和节能灯,但普通节能灯也将长期存在 (因为他的照明角度优势和价格的优势存在) 。国家越来越重视照明节能及环保问题, 已经在大力推行使用 LED 灯泡了。 LED 照明节能环保长寿, 只要成本下降到一定程度,它的经济可用性将超过荧光节能灯 照明,相信老百姓会越来越认可。 最后,经过这次研究性课题的研究和制作,我们体会到了物理学的乐趣和团队合作 的重要性。也从中学到了许多东西。研究性课题虽然已经结束但我们对学习的探索还没 结束, 我们会继续努力下去, 开辟一片属于我们的天地。 最后感谢同学们的一起努力!! ! 还有老师的指导。大家都辛苦了~~~ 参考文献 1 百度百科“LED 灯的认识” 2 百度文献“LED 等的作用”


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