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超高亮度LED的太阳能城市灯光系统

导读: LED发展到如今已有近40多年的历史。第一批商业化的LED出现于己于1968年,尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制,但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点。

  1 LED的发展历程

 

  LED发展到如今已有近40多年的历史。第一批商业化的LED出现于己于1968年,尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制,但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠、工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路兼容等许多优点,因而受到使用者的青眯,开始进入包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信等多种应用领域,到1996年LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。

  近十年来,LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题一直是超高亮度化、全色化。所谓超高亮度LED(UHB)是指发光强度达到或超过100mcd的LED,又称坎德拉(cd)级LED。由于利用A1GaInP和InGaN做发光层,超高亮度LED的研制进展十分迅速,并达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。1991年日本东芝公司和美国HP公司研制成InGaA1P(λ=620nm)橙色超高亮度LED,1992年InGaA1p(λ=590nm)黄色超高亮度LED实用化。同年,东芝公司研制InGaA1P(λ=573nm)黄绿色超高亮度LED,法向光强达2cd。1994年日本日亚公司研制成InGaN(λ=450nm)蓝(绿)色超高亮度LED。

  至此,彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都达到了坎德拉级的发光强度,实现了超高亮度化、全色化,使发光管的户外全色显示成为现实。

  通过技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术,使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。我国台湾地区是世界LED及管芯的主要产地,年产LED约40亿只,产品品种规格齐全,性能达到或接近世界先进水平,所生产的管芯也大量出口日本等国。

 

  2 超高亮度LED的基本性能

 

  2.1 各色超高亮度LED的基本特性

  超高亮度红A1GaAsLED具有更高的发光效率,透明衬底(TS)A1GaAsLED(640nm)的流明效率已接近10lm/w,比红色GaAsP-GaPLED大10倍。超高亮度InGaAlPLED提供的颜色与GaAsP-GaPLED相同,包括:绿黄色(560nm)、浅绿黄色(570nm)、黄色(585nm)、浅黄(590nm)、橙色(605nm)、浅红(625nm)、深红(640nm)。InGaAlPLED吸收衬底(AS)的流明效率为101m/w,透明衬底(TS)为201m/w,在590-626nm的波长范围内比GaAsP-GaPLED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波长范围内则比GaAsP-GaPLED高出2-4倍。超高亮度InGaNLED提供了兰色光和绿色光,其波长范围兰色为450-480nm,兰绿色为500nm,绿色为520nm;其流明效率为3-151m/w。

  2.2 超高亮度LED与白炽灯的比较

  目前,超高亮度LED的流明效率已超过了带滤光片的白炽灯,某些品种发光亮度已高于1000mcd,可以取代功率1W以内的白炽灯,将LED组成阵列甚至可以取代功率150W以内的白炽灯。对于许多城市灯光系统应用,白炽灯都是采用滤光片来得到红色、橙色、绿色和兰色,而用超高亮度LED则可直接得到相同的颜色。近年用AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个(红、兰、绿)超高亮度LED芯片组合在一起,不用滤光片就能得到包括红、橙、黄、绿、蓝在内的七彩色,其发光效率目前均已超过白炽灯,正向荧光灯接近。此外,用超高亮度LED组成的彩色大屏幕可以表现天空和海洋,实现三维动画。

  新一代红、绿、蓝超高亮度LED达到了前所未有的性能。最近,日本日亚公司利用其InGaN蓝光LED和荧光技术,新推出了白光固体发光器件产品,其色温为6500K,效率达每瓦7.5流明。超高亮度LED的问世及其产业化,为太阳能灯光系统增添了新的活力。

 

  3 超高亮度LED在太阳能城市灯光系统中的应用

 

  3.1 超高亮度LED灯泡的基本结构

  应用于太阳能城市灯光系统,单个超高亮度LED发光管其产生的光线较暗、方向性太强,综合视觉效果较差。因此,应用于太阳能城市灯光系统时,首先须将多个LED发光管集中于一起,加大其发光亮度与面积;其次,根据不同色彩LED发光管的性能差异,通过相关参数匹配优化设计,组合成直流12V、6V、4.8V及其它脉冲系列产品,典型直流LED高效节能灯泡主要技术参数见表1。

 

  

 

  最后根据使用场所的要求,设计出120°、90°、70°多种角度的反光板,放置在高透光率的塑料灯罩内(图1),以改善LED的方向性过强而形成的光斑,同时在灯罩内表面设计有网格型的折射面,使LED发出的光线经多次反射与折射,最终达到LED高效节能灯泡各向发光均匀,并形成特殊的光学效果。

 

  

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