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体育场馆照明难度大 LED灯发挥大作用
http://www.31taoci.com2020-10-26 14:24:20科普中国

  据调查显示,目前体育场馆多采用传统高强度气体放电灯——金卤灯进行照明,功率高达1000-2000W,虽然能够达到照亮场馆的要求,但如此高的功率必然意味着极高的耗电量。以鸟巢为例,其体育场照明采用了594盏2000W金卤灯,每小时耗电1188度。

  除了耗电量大,金卤灯还有个致命的弱点——点亮时间长。一旦比赛中途断电,其再次点亮所需冷却时间可能长达十几分钟。这在分秒都不能出错的电视转播中是完全不允许的。

  那有没有一种灯在实现高照度的情况下,同时节能又能瞬时点亮呢?确实有,它的名字叫发光二极管,也就是常说的LED灯。LED是一种利用半导体PN结把电能转换为光能的半导体器件,PN结是其发光的核心区域,由P型层和N型层构成,P型层提供空穴,N型层提供电子。

  在外加电场的作用下,空穴和电子被注入到PN结发生复合,多余的能量以光的形式释放出来,从而就能观察到PN结发光。总的来说,LED灯就是依靠电子和空穴碰撞产生光子来发光的。因为电能转化为光能的效率较高,且灯管的使用寿命较长,所以LED灯既能提供高亮度,相比于金卤灯还有省电节能的优点。

  虽然LED灯既节能又能提供高亮度,但是单颗LED芯片尺寸非常小,只有1mm见方,尺寸和一粒小米相当,且功率也只有1W左右。为了使得LED芯片实现500W甚至1000W的超大功率,我们需要对其进行封装。目前大功率照明的封装结构,主要有表面贴装SMD和板上芯片COB两种。

  SMD是对单颗LED芯片进行独立封装,然后再将多颗SMD灯珠集成到PCB板上形成大功率LED模组的封装方式。其优点是可以根据灯具外形设计PCB板形状,并按要求组合成所需功率。

  俗话说,一个好汉三个帮。有了LED光源还不能直接点亮,一盏完整的LED灯还需要其他部件。前面提到LED芯片是一种半导体材料,和手机电脑里的CPU以及各种处理器一样,半导体器件不能直接用220V交流电直接供电,需要一台直流电源将交流电转换为直流电。

  此外,LED芯片还必须在一定的温度下工作,通常要求PN结温度低于140摄氏度。如果温度过高,会严重降低灯具的整体寿命,甚至直接烧坏LED光源,也就是灭灯。因此,我们还需要一个散热器,将LED光源发出的热量散出去。目前市面上的散热器主要有两种,一种是型材散热器,一种是相变散热器。

  两种散热器各有各的优点。型材散热器结构简单,价格便宜,通过材料自身进行热传导,热阻高且适合小功率和低功率密度的LED光源。

  有了光源、电源和散热器,就可以组装成一盏可以点亮的LED灯了。当然,LED灯作为一种工业产品,卖相也还是很重要的,这就需要对其进行外观造型以提升颜值。因为体育场馆灯安装高度可达50-60m,而LED光源发光时属于四周散发型,如果直接使用会导致光能浪费严重,地面照度低,所以还需要采用光学器件对光束进行整形,使其集中照射到场地上,以提高地面照度。

  前景

  为了说明白光LED的特点,先看看所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯,其光视效能为12~24流明/瓦;荧光灯和HID灯的光效为50~120流明/瓦。对白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已达到15流明/瓦,这一指标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25流明/瓦,这一指标与卤钨灯相近。有公司预测,到2005年,LED的光效可达50流明/瓦,到2015年时,LED的光效可望达到150~200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光LED作家用照明光源,将成可能的现实。

  普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电),寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长(连续工作时间10000小时以上),几乎无需维护。

  LED光源具有使用低压电源、耗能少、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境无污染、多色发光等的优点,虽然价格较现有照明器材昂贵,仍被认为是它将不可避免地替代现有照明器件。

  应用

  最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。

  汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,减少汽车追尾事故的发生。另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。

  资料来源:百科、科普中国

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