LED基础知识

LED基础知识

基本概念

一、LED的定义

LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的光电器件，其核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型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。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性以及I-V特性(如图4)、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。是一种半导体固体发光器件。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

二、LED光源优点

1、高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

2、寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

3、多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

4、利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

5、高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

三、LED光源的特点

1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。

5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

6. 对环境污染：无有害金属汞。

7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。

8.价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

重要照明术语释义

一、光线和辐射

光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的nabufen 光谱。这类射线的波长范围为380~780nm，仅仅是电磁辐射光谱中非常小的一部分。

二、光通量

光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（Φ），其单位为流明（lm）。

三、光强

一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。可见光在某一特定方向角内所发射的光的强度就叫做光强，即光强是指在某一特定方向角（ω）内所发射的光通量（Φ），其单位为坎德拉（cd），1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。

四、照度

照度（E）是光通量与被照射面积之间的比例系数，单位勒克斯（lx）。

五、辉度

辉度（L）表示眼睛从某一方向所看到的物体反射光的强度，单位为坎德拉/平方米（cd/m²）。

六、光效

光效是指电能转换成光能的效率，单位为流明/瓦（1m/W）。

七、色温

当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度称为该光源的色温。其单位为开尔文（K）。“黑体”的温度越高，光谱中的蓝色成分则越多，而红色成分则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K，而日光色荧光灯的色温则是6000K。不同光源环境的相关色温如表1-1所示。

表1-1 不同光源环境的相关色温

光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下时有稳重的气氛和温暖的感觉；3000~5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上时有冷的感觉。不同光源的不同光色形成的最佳气氛效果如表1-2所示。实验表明，采用低色温光源照射能使红色更鲜艳，采用中色温光源照射使蓝色具有清凉感，采用高色温光源照射使物体有冷的感觉。

表1-2 光源的不同光色形成的最佳气氛效果

八、灯具效率

灯具效率也叫光输出系数，是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。关于室内人造光线照明的详细资料，祥见DIN5035标准。

九、显色性

光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性，通常也叫做显色指数（Ra）。

显色性是事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色的关系。Ra值的确定方法是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。Ra值为100的光源表示事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

十、波长

光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。单位：纳米（nm）

十一、亮度

符号L（发光面的明亮程度）单位：坎德拉每平米(cd/m²)或称尼脱（nits），指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，也就是每平方米之烛光。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。

十二、眩光

在视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。

十三、同步性

同步性是指两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的LED灯。同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。

十四、防护等级

防护等级是将灯具依其防尘、防湿气的特性加以分级，由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵入的等级（分为0~6级），第二个数字代表灯具防止湿气、水分侵入的密封程度（分为0~8级），数字越大表示其防护登记越高。

十五、重点照明

重点照明是指用以强调某一特别目标物或引人注意视野中某一部分的一种方向性照明。

十六、调适

调适是指人眼的焦点自某一点移动至另一点的改变过程。

十七、遮蔽体

遮蔽体是指能够从某一特定角度遮蔽光线直接照射或吸收不需要光线的不透明或半透明对象。

十八、安定器

安定器是指与放电灯一起使用的一种装置，借以获得起动及运转时所需电路的电流、电压及波形等条件。

十九、光束角

光束角是指在垂直于光束中心线的平面上，光度等于50%最大光度的两方向的夹角。

二十、屋顶高窗采光

这里是指建筑物具有透明屋顶、或墙壁具有采光玻璃窗的照明设计。

二十一、演色性

演色性是指在光源照射下某目标物外观呈现的色彩与其在参考光源（如日光）下的原有色彩相比，其演出的真实感如何，是否与原有色彩一样。

二十二、灯具遮光角

灯具遮光角是指自最低点量测，人眼所无法看见的裸光的第一条光线与垂直线之间的夹角。

二十三、漫射反射

漫射反射是指入射光束从某一角度范围内反射回去的过程。

二十四、漫射照明

漫射照明是指入射光线并非主要来自单一特别方向的照明方式。

二十五、方向性照明

方向性照明是指在工作面或目标物上光线主要来自单一方向的照明方式。

二十六、聚光灯

聚光灯是指具有极窄的光束角，用以某特定地区照明的灯具。

二十七、杂散光

杂散光一般指超出人眼视网膜视线的光线。

二十八、安装高度

安装高度指参考平面与灯具平面之间的距离。

二十九、夜间照明

夜间照明泛指除体育场、工地和室外安全照明外的室外活动空间或景观的夜间景观照明。照明的对象有建筑或构筑物，广场、道路和桥梁，机场、车站和码头，名胜古迹，园林绿地，江河水面，商业街和广告标志以及城市市政设施等的景观照明，其目的是利用灯光将上述照明对象的景观加以重塑，并有机地结合成一个和谐、优美、壮观和富有特色的夜景图画，以此来表现一个城市或地区的夜间形象。

三十、观景距离

光景距离是指人们凭视力观景的距离，也称观赏景物所需的一定空间距离。实验研究表明，人的双目以视野在60°的圆锥体范围内，视距为景物高度的1~3倍进行观赏时，效果较佳，小于该距离时有迫促感，大于该距离时有远离感。

三十一、营造景观

营造景观是指按庆典活动或特定的主题要求，在人群集中的广场或地点，利用灯光营造各种寓意和造型的灯饰景观。

三十二、功率因数

1、概述

电力系统功率分为:电源供给负荷的总功率称为视在功率，它分为两部分，一部分是保证用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为机械能、化学能、光能、热能等其他形式能量的电功率，称为有功功率，它由发电机发出；另一部分为电能在电源和电感性用电负荷之间交替往返的电功率，也即为建立交变磁场和感应装置的磁通，只实现能量交换而不做功的电功率，称为无功功率，它由发电机和无功补偿装置发出；我们的普通用户只对有功部分支付电费，少数大用户由于其功率因数不满足国家要求，会收取其功率因数电费，这即是包括了无功部分的。功率因数是指有功功率在视在功率中所占的比重。

有功功率与视在功率(电力系统功率)的比称的绝对值为真功率因数。

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S

功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。

(1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。
(2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫千瓦)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。
(3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。

对于功率因数改善

电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见。也就是因为这个电感性的存在，造成了系统里的一个KVAR值，三者之间是一个三角函数的关系：
            KVA的平方=KW的平方+KVAR的平方
    简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。目前就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9，或高于1.0都需要接受处罚。这就是为什么我们必须要把功率因数控制在一个非常精密的范围，过多过少都不行。
    供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端有什么好处呢？
① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。
② 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。
③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。
举例而言，将1000KVA变