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通往固态照明之路的碰撞

发布时间:2020-07-21 18:10:12 阅读: 来源:钛白粉厂家

LED新灯具已开始出现在零售货架上,且许多人对于未来几年LED产业的成长眼花缭乱。然而,LED照明通往成功的途中不会是一帆风顺,因为需要克服一些意想不到的困难。

试图把最新的技术强加给已经发展了超过百年的基础设施并非易事。其中有些问题已经或即将得到解决,但是仍存在一些挑战,其中许多挑战会给那些已有答案的竞争者带来机遇。现在要面对的几个潜在的问题是价格、色彩质量、热管理、规范以及用户培训。因为很大程度上这些问题并不是技术问题,因此如果没有直接面对它们,设计工程师根本不需要对其有所理解。这些问题是变化的,取决于供应方设计何种新的照明灯泡或定制的LED照明器具。

LED新灯泡

美国政府规定2012年起将禁售100W以上的白炽灯,小型荧光灯预期会成为此禁令的最初受益者。但是人们想要知道,仅仅由于小型荧光灯比白炽灯节能这一经济利益,消费者没有完全换用小型荧光灯的原因。

事实上由于各种各样的原因,很大比例的消费者已经拒绝了小型荧光灯,这些原因包括灯光闪烁、色彩渲染、可靠性与成本的对比、较慢的启动以及对于其所含有的汞元素在环境方面的担忧等。尽管没有完全消除这些问题,小型荧光灯对这些问题已经有所解决,但是在许多消费者看来,小型荧光灯并不是想要的。短期内,如果所使用的100W白炽灯烧坏,这些消费者中的许多人会转用卤素白炽灯。

这就带来一个问题:LED能进入这个空挡并成为消费者可用的选项吗?目前为止,还没有商用的LED灯具来取代无处不在的100W A19白炽灯。其原因是至今还不能对输出为1500lm(100W照明灯管的典型输出)的LED在A19型因素上进行物理层面的被动冷却。

由于白光LED是非常高效的光源,大约可以将三分之一的输入功率转换为光,剩余的三分之二功率被转换成LED中的热量。因此在100lm/W,即大约100W功率必须被连续而快速地消耗掉。如果这些热量没有得到移除,LED灯管会迅速升温到120℃这一最大工作温度。

这个问题最终可能会通过LED的发光效率得到解决。去年,最佳的冷却白光LED取得了100lm/W的照明效率;今年,若干种白光LED取得了120~130lm/W范围的照明效率。这一趋势在可预见的未来并不会衰减。

随着LED转换效率的改善,热管理的改善程度大约是效率的平方。因为对LED供电的总功率在减小,且由输入功率产生的热量百分比也减小相应的数量。

LED照明效率的快速改善既是恩惠也是祸根。对此明了的客户,通常也即早期的采用者,在购买产品之前可能会先等待技术的成熟,尤其是在当前LED高昂的售价面前。目前,75W PAR38 LED的售价在40美元左右,对于大部分的消费者而言这是一个高昂的价格,因为他们只要花费少于5美元就能买到小型荧光灯,而买一个白炽灯只需要几个便士。

不错,对于LED 10?15年的使用寿命而言,40美元是一个合理的价格。但是消费者必须学会将购买LED作为他们家庭的资本改进行为,而不是一直以来的购买灯具这样的消费行为。难道大部分消费者在这一转换面前都要考虑他们的家庭价值是持平还是仍在下滑吗?也许根本不会,但是消费者对节能技术的兴趣会一直增加,因为我们看到大量市场团体在讲解LED的诸多优势。

避免立即废弃

LED制造商同样要面对的问题是,也许在达到商店橱窗时他们的新照明灯具已经废弃。随着SSL的快速改进,上市时间至关重要。尽管实际的设计时间可以较短,但是从美国保险商实验所获取所需的证书,再到能源之星,需要几个月的时间。

设计工程师在选取那些可能会花费几年时间才制造完成的LED时必须保持慎重。因为LED产品采用相同的封装,LED制造商很容易释放更高的照明通量。随着LED芯片技术的快速发展,LED封装技术也在快速发展,并且会对LED性能的改进具有同样重要的作用。LED制造商对此极为明了,并且随之延长了他们产品的生命周期,此外如果可能的话,会使新型LED采用具有先前模型相同的PCB。

色彩质量也许是最难解决的问题。业界对于白光LED色彩可变性的测量和控制已经花费了大量时间和资金。对制造商而言,色度贮藏已经像OSRAM提供ANSI一样花费越来越大。但是色彩温度和紧凑的色度贮藏并不是问题的全部,因为具有相同色度坐标的光源可能会具有极不相同的光波长。如果光谱差异过大,在这两种光源下会产生不同的非白色表面。

通常,对于具有相同色度坐标的LED光而言这不是问题,因为它们的光谱非常相近,即对于取代白炽灯而具有相同色彩温度(随之是相同的色度坐标)的某一LED光而言,这是一个潜在的问题,因为LED光谱与白炽灯光谱具有极大差异。

色彩精炼指数(CRI,Color Rendering Index)是衡量在某一照明光源下某一表面照明的感知颜色与同样的表面在白炽灯下的感知颜色相近程度的指标。CRI为100时表示完美匹配。而CRI在80以上的LED即为良好,但是更具歧视性的消费者或许并不如此认为。

OSRAM介绍了他们通过在绿-白LED上增加红色LED的产品Brilliant Mix(见图1)。当红光与绿-白光混合的时候会产生与白炽灯光谱更加匹配的白光谱,尤其是在红色LED的光谱末端,因为通常此处常规的白色LED色度下降。结果是更高的照明效率和色彩精炼指数。

图1 通过在绿-白LED上增加红色LED,OSRAM的Brilliant Mix与白炽灯光谱更匹配

LED照明器

短期内,LED新灯具是种挥霍,但是长远来看对于定制LED照明器而言这是巨大的机遇,它可以使得100年来电器照明的约束得以避免。

相对于白炽灯和小型荧光灯发光效率低下的特点,LED具有巨大的优势。相对于传统的白炽灯和小型荧光灯,LED可能会带来更复杂的形式因素,以及更有趣和有用的照明图案。为了获取这些优势,那么就要定制LED照明灯具。LED还能提供诸如可调的色彩温度、增强的亮度以及智能控制等附加功能。

试着想象一下这种照明灯具,它不但可以调暗,而且可以选择想要的色彩温度。换言之,你可能会想要在房间里增强光线强度,或者增加光线色彩。LED是实现这种照明灯具唯一的一种光谱具有足够可调空间的光源。尽管这在技术上是可行的,但是创造一种能使这些调整具有直觉性的用户界面却充满挑战。能设计出通过简单控制实现可调色彩LED灯具的制造商将会具有独特的竞争优势。

另一个可能性是提高照明级别,尤其是在办公区域。人眼在40岁之后开始逐渐失去聚焦能力,甚至那些具有极佳视力的人在40?50岁的时候也要借助眼镜来帮助提高视力。尽管如此,许多时候,这些人也许在户外不需要借助眼镜提高视力,因为人类的眼睛在强度较大的照明条件下会看得更清楚。当LED效率达到150lm/W级别的时候,将办公照明提高到1000lx是可能的,而不是现有条件下大部分办公室典型的300lx。

当人们开始考虑常规照明的约束的时候,LED照明的机会就更多了。典型的家居照明每户需要大概能承受20A电流的电路。如果所有的天花板照明灯具都换为LED,一个10A(或者还要少几安培)的LED就足够为整个房子提供照明。并且由于LED本质上是一种低压器件,设计工程师可以用几乎任何电压实现照明电路。转换到12V或24V直流系统会消除由于屋顶上大量的标准布线带来的极大的布线成本,尤其是当前铜的价格处于高位。

低压电路还能减少火灾以及触电危险,并且能提高光伏/电池系统的效率。自然地,转换到低电压对新建筑而言更加合理,但对于放弃了尖顶的改造建筑同样可行。然而由于建筑标准的缺乏会使得这一进展受阻,因为那些还需要一些学习过程的电工要来做这些安装工作。

长期的问题

LED照明器设计者所面临的其他特定挑战是由于LED的最重要优点之一—长寿命。首先,LED照明灯具的其他部件必须具有与其相当的寿命,即在50 000到70 000小时量级。LED驱动器尤其要设

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