白光LED照明是否该降降温?
时下对于节能产品,全社会最为关注的莫过于被称为第四代光源的LED,在产业资本和政府补贴的双重推动下,近几年来实现了爆发式的增长。可真是风起云涌,光艳、叱咤与时尚。
然而在一片欣喜之中,白光LED真的如我们期待的那样吗?替代荧光传统光源指日可待了吗?我看未必。而且需要适当降降温。更况且市场上的LED产品优劣参差不齐,品质实在让人担忧。消费者往往无所适从,受伤的最终还是消费者。
我并不反对LED,但我觉得LED现在是过于炒作了,夸大宣传,优点过于放大。
这样只能将 LED 行业引向歧途,不正视 LED 存在的问题,只能延缓 LED 应用
的发展。
在替代装饰类如卤素光源方面优势是比较明显的,因为比起卤素光源的发热与耗能,确实是优势突出,安全与节能。这毫无疑问。但白光LED它能否成为主照明?我觉得还需慎重,我们现在就来探讨一下LED。
LED(Light Emitting Diode),发光二极管,简称LED,,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。主要由带PN结结构的固体半导体----芯片(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”),电极和光学系统组成。外部电源给PN结两端加以正向电压,使电流从P区流入N区,N区不断注入电子,P区则不断注入正电荷,当电子和电荷的能量达到一定值时,PN结处的电子与电荷便产生跨越,此时,电子与空穴相结合,在结合的过程中产生大量的能量,而这些能量以光的形式释放出来,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。
它本是一种通过控制半导体发光的显示方式,用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的屏幕显示。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点,广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED可以作为显示屏,在计算机控制下,显示色彩变化万千的视频和图片,或者用于指示、装饰等辅助照明。
但目前向主照明方向发展,我们就不得不考量一番了。首先,应用在主照明的白光LED的形成目前比较主流有如下两种:
第一种方式:利用RGB三基色混合成白光。利用红、绿、蓝三种LED芯片组合,封装在一个二极管中,按照红光、绿光、蓝光分别是21%、69%、10%的比例,混合成人眼看到的纯白色光,只要通过各色芯片的电流稳定,散热较好,那么这种方式产生的白光稳定且制作简单,但是,由于红、绿、蓝三种芯片的光衰不同,控制通过LED电流大小的驱动器性能品质要求较高,而且由于生产工艺的原因,目前的技术无法达到全色谱的效果,所以,一般不采用此方式。
第二种方式:利用荧光粉实现白光。此方式又有三种实现方法。其中主流的方法是:在LED蓝光芯片上涂覆钇铝石榴荧光粉(黄色荧光粉)合成白光。目前主要做法是以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质,利用蓝光LED照射此一荧光物质以产生与蓝光互补的550nm波长黄光。再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合,便可得出肉眼所需的白光。这是目前最主流的白光LED应用技术。
以上两者其实都是希望达到白光的效果,只不过一个是直接以白光(荧光粉)呈现,另一个则是以红绿蓝三色混光而成。
此外,也有紫外LED配合RGB荧光粉,但是衰减问题与紫外线对人体影响,都是短期内比较难解决的问题,因此虽然都可以达到白光的需求,却有不同的结果。
不管是以哪种方式,它总是有一定的蓝光,说到蓝光,很多人就觉得它对人眼有一定危害。那么我们现在就说说蓝光,它究竟是什么样的一种光?为什么有危害?
什么是蓝光?蓝光是波长为400~500nm的高能量可见光。我们举一个例子认识一下蓝光。有一种现象,舀一勺海水看看,海水既不是蓝色的,也不是白色的,海水就像自来水一样,是无色透明的。但为什么海水看上去是蓝色的呢?这是太阳蓝光在起作用。太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光组成的。当太阳光照射到大海上,红光、橙光这些波长较长的光,能绕过一切阻碍,勇往直前。它们在前进的过程中,不断被海水和海里的生物所吸收。而像蓝光、紫光这些波长较短的光,虽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碍就纷纷散射到周围去了,或者干脆被反射回来了。我们看到的就是这部分被散射或被反射出来的光。海水越深,被散射和反射的蓝光就越多,所以,大海看上去是蓝色的。
这就有人说了,太阳也有蓝光嘛。的确,太阳确实是有蓝光,正是因为太阳有蓝光、紫光的存在,我们才没有见过有人会长时间呆在阳光底下阅读、看电视或用电脑。就算是在太阳底下工作,也要戴个草帽什么的遮遮。因为眼睛会受不了,皮肤也受不了。要不然,大家可以试一下在阳光底下看电视一两个小时看看。
就如长时间使用电脑或LED台灯等,眼睛会出现疲劳、干涩、刺痛等症状,为什么呢?因为人眼最不能接受的是蓝光和UV光,蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍,而UV光杀伤人眼活性细胞的能力又是蓝光的10倍,长期接触大量低波长的蓝光能大量杀伤人眼活性细胞。即使到时多吃有利眼睛的食品也会无作用。
而LED台灯的光源发射的白光之所以能够形成主要是靠450~460nm波长的蓝光激发荧光粉,其中波长越低击发能力越强。通常LED光源的出厂波长控制在500nm之内,一般是450~455nm或455~460nm,都属于辐射伤害最强的区段。如果波长变大,那么激发荧光粉的能力就下降,发光效率就会降低。生产厂家为了追求亮度,通常会加强LED光源的蓝光强度,人眼如果长期看这样的光源,难免眼睛会受到蓝光伤害,会出现疲劳、干涩、刺痛等症状。而且色温越高,蓝光所占比例越高。
另外,LED台灯点灯的时间越长,光源中的荧光粉衰减越快,结果就会导致人眼接触的蓝光波段的光照越来越强烈,从而对人眼造成伤害。所以眼睛长期看LED光源,容易让人产生头晕眼花、不舒服的感觉,甚至会造成眼晴伤害,使得患眼病的机率会有所提高。提醒,不要让眼睛长时间注视过亮的LED光源,以免眼睛受到伤害。
LED还有一个特点,在这顺便提一下,就是LED光不招虫。这虫子都怕或不喜欢的光,我们人眼就不怕、就喜欢啊?
所以,家庭LED照明尽量少用。当然,也有人说可能是人们还不习惯这种光,为了节能环保,我们去适应LED光源环境也不是不可以,但有个前提就是这光源是健康的,要不然为了行业发展和商业利益而牺牲消费者的健康将是得不偿失的。
眼睛不像自然环境,可以先污染再治理,一旦受到损害,基本都是不可逆转的终身遗憾。产业发展中,失去理性的奔跑注定是会摔跤的,之前还风光无限的光伏企业,目前挣扎在破产的边缘,更早一点,乳品行业也曾以低标准来换得高速扩张,结果一个三聚氰胺事件毁掉了整个行业的声誉,人们有越来越多的担心,LED千万不要成为下一个!
对于LED灯具光生物安全性分类(危害性进行测试、分类)测试。各生产厂家可依据IEC 62471:2006标准进行。看看所生产的LED灯具是否有危害或危害程度是几类。商家或用户最好是让生产厂家提供测试报告,也清楚准备购买或正在使用的LED灯具是否安全。测试项目如下:
4.3 辐射危害的曝辐限值。灯分类:豁免类、1类危险(低危险)、2类危险(中度危险、3类危险(高危险):
4.3.1 皮肤和眼睛的光化学紫外危害曝辐限值;
4.3.2 眼睛的近紫外危害曝辐限值;
4.3.3 视网膜蓝光危害曝辐限值;
4.3.5 视网膜热危害曝辐限值;
4.3.7 眼睛的红外辐射危害曝辐限值;
4.3.8 皮肤热危害曝辐限值;
5.2.1 辐照度测量:危害名称
a:光化学UV皮肤和眼睛;
b:眼睛UV-A;
c:蓝光小光源;
d:眼睛红外;
e:皮肤热。
5.2.2 辐亮度测量:危害名称
a:蓝光;
b:视网膜热;
c:视网膜热(微弱视刺激);
现在我们对白光LED光环境有一定的了解。我们再看白光LED的第二个问题。光衰与寿命。
一般LED商家宣传资料上都说寿命长达3万小时以上,光源的有效寿命一般是指光源的总光通量下降到初始值(其实也就是光通维持率)的70%时的总共点燃时间。单颗LED芯片寿命的确很长,但要让LED发光还有其它条件。我们无法回避的是LED光衰快与驱动电子元件能否坚持3万小时?LED光衰是指LED经过一段时间的点亮后,其光强会比原来的光强要低,而低了的部分就是LED的光衰. 一般LED封装厂家做测试是在实验室的条件下(25℃的常温下),以20mA的直流电连续点亮LED 1000小时来对比其点亮前后的光强。好些的荧光灯2000小时的光通维持率在90%左右,但LED 2000小时的光通维持率在75%以上就很不错了。到了1万小时就算驱动不坏,LED的光通维持率如只有50%甚至更低,还节能吗?你还能接受这亮度吗?当前,白光 LED 的光衰,主要有下列因素引起:
1、荧光粉在较高温度下的性能衰退;
2、蓝光 LED 自身的快速衰退;
3、LED 封装底座(支架)材料的导热不良;
4、封装的其它材料引起光衰退;
5、封装工艺引起光衰退;
6、应用不当,如供电不当、散热不良等;
7、紫外辐射对 LED 的影响是微弱的、长期的。
以上这些要解决也不是一件很容易的事情。另外,LED户外照明的防雷击也是不得不考虑的问题,因为LED对静电比较敏感。
第三个问题就是光效。LED光效高,所以节能。的确,高光效是推崇白光LED成为主照明人士所津津乐道的。但实际上市场上卖的LED产品光效真如人们想象的那么高吗?高光效与长寿命光衰之间找到了平衡点?2013年2月份中国赛西(广州)实验室的一份测试结果:四个厂家同样的3W LED天花灯最低的光效只有24.1(lm/W,)!好的也就60.1(lm/W)。平均也就46.725(lm/W)。附3W天花灯测试报告统计数据:
型号5033NADL954MW5028HSD590平均值
输入电压(V)220.9220.08220.08220.08220.285
输入电流(A)0.034640.037160.044520.042830.0397875
功率(W)3.442.813.954.173.5925
功率因数0.450.340.400.450.41
总光通量(lm)20368238182172.75
发光效能(lm/W)59.024.160.143.746.725
色品坐标X;0.31420.31390.30590.30980.31095
Y:0.33820.32090.31550.32130.323975
相关色温63696499704667376662.75
显色指数(K)71.265.378.972.171.875
光束角(°)Horizontal:24.320.027.129.325.175
Vertical:22.619.928.429.825.175
这高吗?显然不高。当然,这可能只是个别几个厂家的LED产品水平,不能代表整个LED行业标准.但这说明什么呢?至少说明目前LED产品非常混杂.消费者在选择时很难判断,很容易受伤.LED球泡灯光效做的比较好的在75(lm/W)左右,直管光效做的比较好的光效在82(lm/W),这跟荧光灯相比没什么优势.但为什么人们会觉得LED会更亮些呢?主要是因为蓝光部分强,肉眼感觉刺眼,就觉得更亮些。实际光效对比起来,节能灯、直管有过之而无不及。
我们再说LED环保,比起荧光灯确实环保些,因为荧光灯有汞,对环境有污染。LED技术在国外是绝对的领先,但让人纳闷的是:比国内更注重环保的国外却是LED应用在照明方面并不多见。莫非国外不懂?耐人寻味。现在LED进入门槛太低,什么公司、什么厂都在上LED照明项目,大到几千人的大公司,小到三两个人的小加工作坊,都在做LED照明灯具。行业过于混乱,技术低下,粗制滥造,质量根本无法保障。有的根本不是在节能环保,而是在制造电子垃圾,对节能环保无一益处,反而给后续处理会造成极大麻烦。不要说小厂、小加工作坊,就连有些大公司对于回收处理LED也没有实质性可操作的具体方案。LED照明产品回收承诺书对于一些生产厂家来说也只是一纸空文而已。
而且,LED照明的关键指标:结温、光效、色温、寿命等几项参数急需解决。也不是一些小厂或小加工作坊就能解决的问题。
结温:是指芯片PN结的平均温度,用Tj表示,即半导体芯片工作时结点区温度,包括芯片本身允许最大结点工作温度和LED工作时芯片的实际结点工作温度两方面。LED结温的控制直接影响到LED出光效率,器件寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和照明器件应用设计必须着重解决的核心问题。
LED光效:LED的实际光效会随着结点温度的升高而降低。
LED色温:LED芯片发光的色温会随着结点温度的变化而发生变化(色温漂移)。白光LED受制造技术及生产工艺的限制,存在色差在所难免,控制其一致性是比较困难的。当然,色差越小,光色就越好。而且由于LED灯具一般为多个甚至几十上百个芯片组成,如其中某几只芯片有问题亮度暗或不亮,就会影响整体灯具的照明效果。
LED寿命:LED芯片的实际工作结点温度越高,超出芯片的最大工作结温时,寿命将急速下降。
LED的散热:解决散热问题是LED照明产品设计的核心内容。而热阻是反映导热材料热量传递能力的综合参量。单位:℃/W,即物体持续传热功率为1W时,导热路径两端的温差.不同材料,导热能力有所差异,每种材料都有它自身的导热系数.导热系数越高,导热能力就越强.LED的总热阻是芯片内外各层的热阻之和。总热阻除了与各层的导热系数有关外,还取决于各层间结合的紧密程度。如果层与层之间结合得不够紧密的话,热传导就会受阻。
热阻同时还与散热面积有关,散热面积越大,散热就越好。LED照明产品散热通过合理科学的结构设计,运用对流换热的原理,可加速LED光源的散热。对流换热可利用“烟囱效应”的热空气对流原理,加速LED光源产品的散热,降低LED光源的工作温度。实践证明,采用该技术的LED光源工作性能更加稳定。“烟囱效应”就是户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降,造成空气加强对流的现象,称为“烟囱效应”,也就是气压原理的延伸。
目前广东省LED直管标杆指标如下,各生产厂家可参考其指标检验自身的产品情况。
1、平均系统光效。依据GB/T 9468-2008;
2、色容差。依据GB/T 7922-2008;
3、平均初始显色指数。依据GB/T 9468-2008;
4、功率因数。参照GB 17625.1-2003;
5、空间色度不一致性。参照LM-79-08和GB/T 9468-2008;
6、最大亮度。参照GB/T 9468-2008和GB/T 5700-2008;
7、亮度均匀性。参照GB/T 9468-2008和GB/T 5700-2008;
8、蓝光危害。依据GB/T 20145-2006。
故,我们应该正视白光LED存在的问题,不要回避,认真去解决。用其所长,避其所短。我们不否认LED的优点,但也不能因为它具有某些优点就全面开花,要不然,消费者醒悟之时便是白光LED泡沫破裂之时。
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