LED灯具产品开发的探讨

摘要:介绍led基本结构及工作原理。分析led灯源灯具作为照明工具的特色。探讨led灯源灯具产品创意开发和设计的思路及方法,以及应用领域和衍伸行业。认为工业设计在其中大有作为。
关键词:led, 灯源灯具, 应用领域及衍伸行业


1.前言

近年来,半导体发光材料的生产技术实现规模和品种的突破,使LED灯源和灯具在品种、形式和样式等呈现百花齐放的局面,在各个行业都显示应用和普及的巨大潜力。但是,LED的产品开发,无论是灯源还是灯具还是崭新的领域,在具体尺寸、大小、功率、控制器,动力提供形式等方面都有待规范和系列的研究整合,相应的标准也是业界的对知识产权的抢占高地,,特别是涉及工业设计的LED产品语义、产品形态行业特征、以及充分发挥LED优点等,是国内外光源及照明器具的竞争热点。

2.led技术原理

LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管,是一种半导体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料,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,四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用。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,一端的P 型半导体中空穴占主导地位,而另一端的N 型半导体则主要是电子。在它们之间有一个过渡层,称为P-N 结。(图1)当有正向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。而加反向电压时,少数载流子难以注入,故不发光。而光的波长也就是光的颜色,是形成P-N 结的材料决定的。在很大的工作电流范围内,发光二极管的亮度随电流的增大而提高。图为P型半导体和N型半导体微观结构的示意图。

 
图1(a) / 图1(b)

3.led灯具发展

现代灯具主要在向一下几个方向发展:
(1)高效节能化:首先是采用节能光源,然后是按照节能光源的尺寸、形状,精心设计灯具的光学系统,真正提高灯光的有效利用率。所谓节能光源,主要有两种:节约用电和使用新能源。无论是哪种都对环保有着良性作用,减少了能源的浪费。
(2)集成可调化:随着灯和灯具一体化的开发和应用,以电子镇流器为代表的照明灯具电子化技术迅速发展,各种集成化装置和计算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显着的进步,灯具及照明系统在调光、遥控、控制光色等方面均有了很大的改善。
(3)多功能小型化:随着紧凑型光源的发展,各种新技术、新工艺不断采用,镇流器等灯用电器配件小型化,现代灯具正在向小型、实用、多功能方向发展。而LED灯具则正适合这个趋势。常规灯具由于其固有的设计原因无法保证小型化与安全性,而LED灯具有环氧树脂紧密包裹,安全性能良好,即使做得很小也不易出现摔碎、摔坏的情况,故而很适合小型、多用途灯具的开发。
(4) 艺术趣味化:过去的灯具在人们生活中扮演单纯照明的角色,如今市场上兴起各种各样个性化的灯具。灯具市场更强调装饰性和美学效果。艺术型灯具在场所布置、艺术鉴赏、个性化私人空间的时候都能发挥出很大的用处,其作用早已不局限在照明上了。甚至,可以将盆栽等景观艺术与LED灯具相结合,合二为一之后不仅节省了空间,更增加了美感。

led灯具特点
LED的内在特征决定了它具有很多其他灯具所不具备的特点,简单来看,主要有七大特点:
(1)性能优良。LED灯具单色性好、色彩鲜艳丰富,颜色饱和度达到全彩色, 使灯光更加清晰柔和,反应时间又快,特别适合需要紧急开关的灯具,比如汽车的警告灯。
(2)体积小。LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常小,非常轻。因此,在运输中的费用大为减少,仓库允许的储量大大增加。
(3)耗电量低。LED耗电相当低,直流驱动,超低功耗(单管0.03-0.06瓦),电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V,工作电流是0.02-0.03A;这就是说,它消耗的电能不超过0.1W,相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED 光源不需要滤色就能直接产生汽车灯具需要的红色、琥珀色等颜色,从中也能节约不少能耗。
(4)使用寿命长。有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源,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,在恰当的电流和电压下,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。
(5)高亮度、低热量。LED使用冷发光技术,发热量比普通照明灯具低很多。
(6)环保。LED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,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。同时LED也可以回收再利用。
(7)坚固耐用。LED是半导体元件,被完全封装在环氧树脂里面,比起使用玻璃、钨丝一类容易损毁的部件的灯泡和荧光灯管,LED灯具要坚固许多。灯体内也没有松动的部分,使得LED不易损坏,故障率极低,基本可免于维护。

5.led照明技术的开发应用领域

由于LED是一种寿命长、功耗低、无辐射的节能环保型光源,且随着发光二极管发光效率的撼高,LED灯的发光强度会大幅度的提高, 再结合相应控制技术的进步, 预计在不久的将来,LED光源会逐步取代传统的照明光源, 并掀起一次照明领域新的革命。
(1)普通照明
在照明工程设计中通常把工厂车间、学校、教室、办公室、实验室及体育场所等,以功能为主的照明系统,称为普通照明或一般照明。照明功能是灯具最本质的属性。早在上世纪
初,灯具设计师们就开始从灯具照明功能上探究如何人性化。站在使用者的角度,好的照明效果应该是在满足充足照明的前提下均匀、柔和不刺眼的。而在生活节奏日益加快的今天,柔和均匀的照明效果也不仅仅是人生理层面的需求了,而被赋予了更深层面的感知需求。
目前,普通照明领域白炽灯和荧光灯为主。但是led作为一种新的节能型能源正逐步走入百姓家。现在,用于普通照明的发光二极管发出的光一般为白色,俗称白光led,简称照明led。
在普通照明中,光的色温及显色性无论对人的生理还是心理的影响都是十分重要的。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,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。一般情况下,标准日光大约在 5200~5500°K。一般钨丝灯、一般的普通灯泡光的色温大约在 2800°K;而一般日光灯的色温在7200~8500°K左右, LED灯从发光颜色上分有正白(色温5500K左右)、暖白(色温4500K左右),暖色(色温3000K左右)之分,正白就是最常见的白发蓝的光,市场 上卖的电筒台灯用的LED就是正白;暖白与日光灯光接近;暖色与白炽灯光接近。(图2)


图2

光源对物体颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色的逼真程度,显色性高的光源对颜色的再现较好,我们所看到的颜色也就较接近自然原色,显色性低的光源对颜 色的再现较差,我们所看到的颜色偏差也较大。目前LED灯具的显色性一般在60-80,因此颜色偏差小。(表1)

(2)装饰用灯
LED光源具有无可比拟的性能优势, 特别是近几年的电力紧张和国家对节能光源的高度重视, LED光源在各个领城使用的年增长率达到5% 以上 , 像传统以霓虹灯为主导的景观工程、广告灯具、装饰灯具等领域不同程度地被∗正刀光源所挤占。LED光源在室内亮化工程中, 由于它的单元小、控制方便已有代替觉虹灯, 成为主装饰光源的趋势。人们在满足物质生活需要的同时, 对美、对艺术也有着非常强烈的追求,对灯具的要求也自然是不仅仅局限于使用, 还追求着造型的美观,在宾馆酒店、广告、橱窗、舞厅、餐厅等场所,以烘托氛围为主的照明系统称为装饰与艺术照明(简称装饰照明) 不同功能的LED 光源可以组合成彩绚丽的灯光幻影。这种“多色彩,多亮点,多图案”的变化,体现了LED光源的特点。
从装饰环境来分,装饰用灯可分为室外装饰照明和室内装饰照明。室外装饰照明包括: 建筑物的立面照明;庭院照明;广场道路照明;喷泉及造型照明。室内装饰照明则包括: 大堂、客房、餐厅、咖啡厅、酒吧宴会厅、健身娱乐、舞厅、会议厅等大型场所的照明;艺术装饰品照明(如雕塑、浮雕、壁毯、壁画等)和重点目的性照明;办公室、厨房等小型场所的照明。 环境不同,照明的方式自然也不相同,因地制宜,才能表现出LED灯具的特色。
现代照明技术支配下的灯具表现形态是语态的,也就是说灯具的基本照明功能被弱化,而是利用光学功能效应,发出有规律或无规律的光效,有如星光灿烂,给人以美的享受。(图3)


图3

一件普通的生活灯具,赋予了它新的功能,使人们从新的角度去看它,用新的方式去使用它,它原有的实用照明功能就失去了,却获得了一种新的生活方式“流光溢彩”。随着科技进步,新材料的出现,加工技艺的不断提升给灯具世界带来了新的变化,越来越多的创新型灯具进入照明行列。(图4)


图4

(3)创意灯具
创意灯具的范围就相当广泛了。只要在“传统”的LED灯具中添加了创新性的元素,无论这一创新元素是多么微不足道,均可列入创意灯具的范畴中。这里仅举几个例子:
a.折叠式灯。一般把在实现照明功能的基础上,能够自由折叠灯具称为折叠式灯。能耗低,体积小,携带方便,应急作用。时尚简约,造型美观,实用性亦不下降。(图5、图6)


图5


图6

b.玩具灯。在具有照明功能的同时兼具玩具的供人玩耍游戏功能的灯具统称为玩具灯。玩具灯新增了一种除了装饰和照明外的另外一种功能,就是娱乐。这样的灯具深受小孩的喜爱,无论以何种玩法,玩具灯的出现都是崭新的理念。将灯具和玩具结合起来也是LED灯发展的一个重要方向,将来的发展不可限量。(图7、图8、图9)


图7


图8


图9

c.太阳能led灯。在节能环保日益重要的大背景下,新能源的灯具自然也提上日程。太阳能的LED灯具可以在白天晾晒于阳台上,夜晚就能持续发光。这样既节约了电源,又多少增加了一些趣味。(图10)


图10

6.led面临的挑战

LED发光二极管已被全球公认为最高效的人造照明技术,如今从各种指示灯、路灯、节日彩灯再到笔记本、电视背光灯、家具摆设用灯都在广泛采用LED照明,而且这一趋势日益明显,人们普遍认为用LED灯取代传统的灯泡、荧光灯是一种非常环保而且高效的做法。然而,LED灯具也非十全十美,其面临的挑战也是很严峻的。

近期的调查却显示,使用LED的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵消。研究人员分析了市场上常见的圣诞树彩灯组中的红色、黄色、绿色和蓝色的LED灯,其中既包括高亮度LED,也包括低亮度产品。结果显示,这些LED灯中包含有锑、砷、铬、铅以及其他多种金属元素。其中,部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。实际上,LED灯中的有毒元素处理也较麻烦,如果使用普通填埋的办法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎,还可能会对直接接触的人体健康造成损害。

另外,LED需要由于单个发光面比较窄,通常大规模集成在线路板上,形成一个比较大的发光源,由此会造成大量热量积累,有时会击穿电路板。所以LED灯的散热一定要好,否则很可能导致LED灯很快损坏。对于这点,同样也需要在技术上革新。当然工业设计可以发挥重要作用。


参考文献
[1] 毛兴武 新一代绿色光源LED及其应用技术 人民邮电出版社 2008.1
[2]许东旭 Led灯具设计的产品语义研究 上海大学硕士论文 2011.2
[3]王香娟 家居室内led照明光色研究 上海大学硕士论文 2011.2
[4]虞世鸣 产品创意设计 北京大学出版社 2011.1

作者:杨彦、杨莹、朱音爵、周波、张智、刘芸、虞世鸣(上海大学机电工程与自动化学院)