本文介绍了LED的基本原理和特性,并就LED在园林景观照明中可持续应用问题做了前瞻性的展望,为LED在园林景照明中的推广和使用提供参考。
随着光电技术和生物科学的发展,人造光源越来越多地应用在园林景观照明中。城市园林灯光景观是城市的亮丽名片,有着非常冲击力的视觉艺术和文化表达。通过园林灯光语言的表达和诠释,不仅是对白天景观的扬弃、提炼和升华,也包含着传递自然景观与人文景观本身的美,更蕴含着灯光语言所演绎、诠释和强调的美。同时,通过园林灯光还能让市民欣赏到“宛若天开、人间胜景”的园林夜景,这对于陶冶市民热爱自然、热爱生活、热爱城市文化内涵和精神具有重要意义。
近年来,LED作为园林造景光源产品开发应用于城市园林景观照明工程,但相关的科研报道却不多。笔者从LED的基本原理入手,介绍其基本的原理和特性,并就LED在园林景观照明中的可持续的推广应用做了前瞻性的展望,旨在为业界更好地推广和使用LED提供参考。
1 LED基本知识
光源的发展史是人类文明的进步史,1879年爱迪生发明的白炽灯标志着电光源使用的开始,其发展先后经历了白炽灯(1879)、卤素灯(1959)、高压钠灯(1961)、金属卤化物灯(1962),1969年红色LED灯问世,随后LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品为21世纪光源市场带来了无限希望。
LED(Light Emitting Diode,即半导体发光二极管)是一种特殊的通电可以发光的半导体即发光二极管,是一种半导体固体发光器件。该光源开始仅用于各种电了产品显示屏的背光照明,随着材料和技术的开发研究,LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
1.1 LED基本原理
LED是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。它的发光机理是,PN结的端电压构成一定势垒,当加正向偏置电压时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多,因此会出现大量电子向P区扩散,构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。
1.2 LED光源特点
相比于普通的光源而言,它具备了许多优越的特点:一是使用低压电源,供电电压为6 ~ 24V,根据产品不同而异,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。二是能耗小,消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。三是颜色可调,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。四是适用性强,体积小且轻便,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;五是稳定性好,使用寿命达10万h,光衰为初始的50%。六是响应时间短,白炽灯的响应时间为毫秒级。LED灯的响应时间为纳秒级。七是低碳环保,对环境污染小,产品无有害金属汞。
1.3 LED基本特性
1.3.1 LED电气特性
LED的亮度与通过LED的电流成正比,即LED在其电流极限参数范围内流过LED的电流越大,它的发光亮度越高。但绿光和蓝光及白光在大电流情况下会出现饱和现象,不仅发光效率大幅降低,而且使用寿命也会缩短。
1.3.2 LED光学特性
LED的光学特性主要从几个指标来考虑:一是发光强度,二是总光通量,三是光谱特性、色品坐标、主波长,四是发光强度的空间分布和总光通量,五是发光强度。LED提供的是半宽度很大的单色光,由于半导体的能隙随温度的上升而减小,因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长。LED发光亮度L与正向电流近似成比例。电流增大,发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关,环境温度高时,复合效率下降,发光强度减小。
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