LED燈具產品開發的探討

摘要:介紹led基本結構及工作原理。分析led燈源燈具作為照明工具的特色。探討led燈源燈具產品創意開發和設計的思路及方法,以及應用領域和衍伸行業。認為工業設計在其中大有作為。
關鍵詞:led, 燈源燈具, 應用領域及衍伸行業


1.前言

近年來,半導體發光材料的生產技術實現規模和品種的突破,使LED燈源和燈具在品種、形式和樣式等呈現百花齊放的局面,在各個行業都顯示應用和普及的巨大潛力。但是,LED的產品開發,無論是燈源還是燈具還是嶄新的領域,在具體尺寸、大小、功率、控制器,動力提供形式等方面都有待規范和系列的研究整合,相應的標準也是業界的對知識產權的搶占高地,,特別是涉及工業設計的LED產品語義、產品形態行業特征、以及充分發揮LED優點等,是國內外光源及照明器具的競爭熱點。

2.led技術原理

LED(Lighting Emitting Diode)即發光二極管,是一種半導體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料,基本結構是一塊電致發光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用。發光二極管的核心部分是由P 型半導體和N 型半導體組成的晶片,一端的P 型半導體中空穴占主導地位,而另一端的N 型半導體則主要是電子。在它們之間有一個過渡層,稱為P-N 結。(圖1)當有正向電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區,在P 區里電子跟空穴復合,然后就會以光子的形式發出能量,這就是LED 發光的原理。而加反向電壓時,少數載流子難以注入,故不發光。而光的波長也就是光的顏色,是形成P-N 結的材料決定的。在很大的工作電流范圍內,發光二極管的亮度隨電流的增大而提高。圖為P型半導體和N型半導體微觀結構的示意圖。

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圖1(a) / 圖1(b)

3.led燈具發展

現代燈具主要在向一下幾個方向發展:
(1)高效節能化:首先是采用節能光源,然后是按照節能光源的尺寸、形狀,精心設計燈具的光學系統,真正提高燈光的有效利用率。所謂節能光源,主要有兩種:節約用電和使用新能源。無論是哪種都對環保有著良性作用,減少了能源的浪費。
(2)集成可調化:隨著燈和燈具一體化的開發和應用,以電子鎮流器為代表的照明燈具電子化技術迅速發展,各種集成化裝置和計算機控制系統對燈具和照明系統的應用取得了顯著的進步,燈具及照明系統在調光、遙控、控制光色等方面均有了很大的改善。
(3)多功能小型化:隨著緊湊型光源的發展,各種新技術、新工藝不斷采用,鎮流器等燈用電器配件小型化,現代燈具正在向小型、實用、多功能方向發展。而LED燈具則正適合這個趨勢。常規燈具由于其固有的設計原因無法保證小型化與安全性,而LED燈具有環氧樹脂緊密包裹,安全性能良好,即使做得很小也不易出現摔碎、摔壞的情況,故而很適合小型、多用途燈具的開發。
(4) 藝術趣味化:過去的燈具在人們生活中扮演單純照明的角色,如今市場上興起各種各樣個性化的燈具。燈具市場更強調裝飾性和美學效果。藝術型燈具在場所布置、藝術鑒賞、個性化私人空間的時候都能發揮出很大的用處,其作用早已不局限在照明上了。甚至,可以將盆栽等景觀藝術與LED燈具相結合,合二為一之后不僅節省了空間,更增加了美感。

led燈具特點
LED的內在特征決定了它具有很多其他燈具所不具備的特點,簡單來看,主要有七大特點:
(1)性能優良。LED燈具單色性好、色彩鮮艷豐富,顏色飽和度達到全彩色, 使燈光更加清晰柔和,反應時間又快,特別適合需要緊急開關的燈具,比如汽車的警告燈。
(2)體積小。LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面,所以它非常小,非常輕。因此,在運輸中的費用大為減少,倉庫允許的儲量大大增加。
(3)耗電量低。LED耗電相當低,直流驅動,超低功耗(單管0.03-0.06瓦),電光功率轉換接近100%。一般來說LED的工作電壓是2-3.6V,工作電流是0.02-0.03A;這就是說,它消耗的電能不超過0.1W,相同照明效果比傳統光源節能80%以上。LED 光源不需要濾色就能直接產生汽車燈具需要的紅色、琥珀色等顏色,從中也能節約不少能耗。
(4)使用壽命長。有人稱LED光源為長壽燈。它為固體冷光源,環氧樹脂封裝,燈體內也沒有松動的部分,不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點,在恰當的電流和電壓下,使用壽命可達6萬到10萬小時,比傳統光源壽命長10倍以上。
(5)高亮度、低熱量。LED使用冷發光技術,發熱量比普通照明燈具低很多。
(6)環保。LED光譜中沒有紫外線和紅外線,既沒有熱量,也沒有輻射,眩光小,冷光源,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。同時LED也可以回收再利用。
(7)堅固耐用。LED是半導體元件,被完全封裝在環氧樹脂里面,比起使用玻璃、鎢絲一類容易損毀的部件的燈泡和熒光燈管,LED燈具要堅固許多。燈體內也沒有松動的部分,使得LED不易損壞,故障率極低,基本可免于維護。

5.led照明技術的開發應用領域

由于LED是一種壽命長、功耗低、無輻射的節能環保型光源,且隨著發光二極管發光效率的撼高,LED燈的發光強度會大幅度的提高, 再結合相應控制技術的進步, 預計在不久的將來,LED光源會逐步取代傳統的照明光源, 并掀起一次照明領域新的革命。
(1)普通照明
在照明工程設計中通常把工廠車間、學校、教室、辦公室、實驗室及體育場所等,以功能為主的照明系統,稱為普通照明或一般照明。照明功能是燈具最本質的屬性。早在上世紀
初,燈具設計師們就開始從燈具照明功能上探究如何人性化。站在使用者的角度,好的照明效果應該是在滿足充足照明的前提下均勻、柔和不刺眼的。而在生活節奏日益加快的今天,柔和均勻的照明效果也不僅僅是人生理層面的需求了,而被賦予了更深層面的感知需求。
目前,普通照明領域白熾燈和熒光燈為主。但是led作為一種新的節能型能源正逐步走入百姓家。現在,用于普通照明的發光二極管發出的光一般為白色,俗稱白光led,簡稱照明led。
在普通照明中,光的色溫及顯色性無論對人的生理還是心理的影響都是十分重要的。LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理,在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合,即可產生256×256×256=16777216種顏色,形成不同光色的組合變化多端,實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。一般情況下,標準日光大約在 5200~5500°K。一般鎢絲燈、一般的普通燈泡光的色溫大約在 2800°K;而一般日光燈的色溫在7200~8500°K左右, LED燈從發光顏色上分有正白(色溫5500K左右)、暖白(色溫4500K左右),暖色(色溫3000K左右)之分,正白就是最常見的白發藍的光,市場 上賣的電筒臺燈用的LED就是正白;暖白與日光燈光接近;暖色與白熾燈光接近。(圖2)


圖2

光源對物體顏色呈現的程度稱為顯色性,也就是顏色的逼真程度,顯色性高的光源對顏色的再現較好,我們所看到的顏色也就較接近自然原色,顯色性低的光源對顏 色的再現較差,我們所看到的顏色偏差也較大。目前LED燈具的顯色性一般在60-80,因此顏色偏差小。(表1)

(2)裝飾用燈
LED光源具有無可比擬的性能優勢, 特別是近幾年的電力緊張和國家對節能光源的高度重視, LED光源在各個領城使用的年增長率達到5% 以上 , 像傳統以霓虹燈為主導的景觀工程、廣告燈具、裝飾燈具等領域不同程度地被?正刀光源所擠占。LED光源在室內亮化工程中, 由于它的單元小、控制方便已有代替覺虹燈, 成為主裝飾光源的趨勢。人們在滿足物質生活需要的同時, 對美、對藝術也有著非常強烈的追求,對燈具的要求也自然是不僅僅局限于使用, 還追求著造型的美觀,在賓館酒店、廣告、櫥窗、舞廳、餐廳等場所,以烘托氛圍為主的照明系統稱為裝飾與藝術照明(簡稱裝飾照明) 不同功能的LED 光源可以組合成彩絢麗的燈光幻影。這種“多色彩,多亮點,多圖案”的變化,體現了LED光源的特點。
從裝飾環境來分,裝飾用燈可分為室外裝飾照明和室內裝飾照明。室外裝飾照明包括: 建筑物的立面照明;庭院照明;廣場道路照明;噴泉及造型照明。室內裝飾照明則包括: 大堂、客房、餐廳、咖啡廳、酒吧宴會廳、健身娛樂、舞廳、會議廳等大型場所的照明;藝術裝飾品照明(如雕塑、浮雕、壁毯、壁畫等)和重點目的性照明;辦公室、廚房等小型場所的照明。 環境不同,照明的方式自然也不相同,因地制宜,才能表現出LED燈具的特色。
現代照明技術支配下的燈具表現形態是語態的,也就是說燈具的基本照明功能被弱化,而是利用光學功能效應,發出有規律或無規律的光效,有如星光燦爛,給人以美的享受。(圖3)


圖3

一件普通的生活燈具,賦予了它新的功能,使人們從新的角度去看它,用新的方式去使用它,它原有的實用照明功能就失去了,卻獲得了一種新的生活方式“流光溢彩”。隨著科技進步,新材料的出現,加工技藝的不斷提升給燈具世界帶來了新的變化,越來越多的創新型燈具進入照明行列。(圖4)


圖4

(3)創意燈具
創意燈具的范圍就相當廣泛了。只要在“傳統”的LED燈具中添加了創新性的元素,無論這一創新元素是多么微不足道,均可列入創意燈具的范疇中。這里僅舉幾個例子:
a.折疊式燈。一般把在實現照明功能的基礎上,能夠自由折疊燈具稱為折疊式燈。能耗低,體積小,攜帶方便,應急作用。時尚簡約,造型美觀,實用性亦不下降。(圖5、圖6)


圖5


圖6

b.玩具燈。在具有照明功能的同時兼具玩具的供人玩耍游戲功能的燈具統稱為玩具燈。玩具燈新增了一種除了裝飾和照明外的另外一種功能,就是娛樂。這樣的燈具深受小孩的喜愛,無論以何種玩法,玩具燈的出現都是嶄新的理念。將燈具和玩具結合起來也是LED燈發展的一個重要方向,將來的發展不可限量。(圖7、圖8、圖9)


圖7


圖8


圖9

c.太陽能led燈。在節能環保日益重要的大背景下,新能源的燈具自然也提上日程。太陽能的LED燈具可以在白天晾曬于陽臺上,夜晚就能持續發光。這樣既節約了電源,又多少增加了一些趣味。(圖10)


圖10

6.led面臨的挑戰

LED發光二極管已被全球公認為最高效的人造照明技術,如今從各種指示燈、路燈、節日彩燈再到筆記本、電視背光燈、家具擺設用燈都在廣泛采用LED照明,而且這一趨勢日益明顯,人們普遍認為用LED燈取代傳統的燈泡、熒光燈是一種非常環保而且高效的做法。然而,LED燈具也非十全十美,其面臨的挑戰也是很嚴峻的。

近期的調查卻顯示,使用LED的環保功效很可能會被其包含的有毒物質所抵消。研究人員分析了市場上常見的圣誕樹彩燈組中的紅色、黃色、綠色和藍色的LED燈,其中既包括高亮度LED,也包括低亮度產品。結果顯示,這些LED燈中包含有銻、砷、鉻、鉛以及其他多種金屬元素。其中,部分LED燈的有毒元素含量已經超過了監管部門制定的標準。實際上,LED燈中的有毒元素處理也較麻煩,如果使用普通填埋的辦法處理將會污染土壤和地下水。而如果LED燈破碎,還可能會對直接接觸的人體健康造成損害。

另外,LED需要由于單個發光面比較窄,通常大規模集成在線路板上,形成一個比較大的發光源,由此會造成大量熱量積累,有時會擊穿電路板。所以LED燈的散熱一定要好,否則很可能導致LED燈很快損壞。對于這點,同樣也需要在技術上革新。當然工業設計可以發揮重要作用。


參考文獻
[1] 毛興武 新一代綠色光源LED及其應用技術 人民郵電出版社 2008.1
[2]許東旭 Led燈具設計的產品語義研究 上海大學碩士論文 2011.2
[3]王香娟 家居室內led照明光色研究 上海大學碩士論文 2011.2
[4]虞世鳴 產品創意設計 北京大學出版社 2011.1

作者:楊彥、楊瑩、朱音爵、周波、張智、劉蕓、虞世鳴(上海大學機電工程與自動化學院)