lLED知识：光的显色性趣闻

只看该作者 · 2011-4-8 23:53

LED光源有体积小，光效高，寿命长，无汞环保等很多优点。在全球能源日益紧张的情况下，它被公认为21世纪绿色光源。在设计灯具过程中使用寿命和散热这两个技术难点是无法避免的，这两个问题和电源都有直接关系，LED电源应用的好坏会直接影响灯的质量。开关电源分防水和不防水两种，户外使用电源的要防水、防潮、防尘。考虑采用防水电源或使用防水盒。LED防水开光电源主要是用在户外。
1． LED在广告、城市景观应用时对LED电源的要求。
a、LED电源性能方面的要求：
输入宽电压的工作，输出直流稳定。
b、防护等级方面：
1、由于LED广告、城市景观在户外使用，考虑到雨水及水气的影响，在LED灯具本身应具备有防水以外，对开关电源也应具备有防水的要求；
2、城市环境污染日益严重，在户外使用时如果LED电源防护等级太低，空气中的粉尘及有害气体会进入到电源内部的电路中，严重影响电源的使用寿命。
c、效率方面：
LED灯具需要LED电源的效率高，这样才能体现LED灯具节能。
d、可靠性
性能稳定、在寒冷、潮湿的条件下能工作、寿命2—3年，甚至更长。
e、外型方面：
数码管方面大部份外型以长条型为主，显示屏方面以四方形为主；而在地埋灯方面以圆形为主。
2．LED电源在广告、城市景观的选择方式：
a、在广告方面，以渐变、扫描、全彩等对变化亮度的均匀性要求不高，在选择LED电源以恒压式电源为主；
优点：不同支路上的LED灯互相不会产生影响，易于控制，功率可以做到很大。
缺点：恒压式电源的输出电流是变化的，每条支路的电流一般难于相同，会影响亮度均匀性。
b、在城市景观方面，多数以常亮的方式显示，要求亮度均匀，在选择LED电源以恒流式电源为主；
优点：串联一条支路上的LED的亮度均匀。LED工作的稳定性很高，即通过LED灯的电流不会因为LED灯发热造成电流变化。
缺点：在并联多条支路时，当有一颗LED不亮时，电流将叠加在其它支路上，会影响其它支路上LED损坏。电压>50V时属非安全电压,从电源设计及安全电压考虑，输出的电压不能做到很高。
c、对于恒压/恒流式开关电源在实际工程运用时的缺点，有些厂家已经对LED灯具进行两次电路的转换：一种是在恒压式开关电源与LED灯的电路上串联一个IC将恒压方式转换成恒流方式对LED进行驱动，第二种方式是在LED灯上并联一个电路，当某个LED灯不亮时，通过并联的LED电路进行补偿使其他灯亮。对于这两种方式已经有不少厂家运用。
3．在LED应用当中，选择什么类型的LED电源符合安全要求并达到节能目的？
使用的开关电源内置有隔离开关变压器，对输入市电与输出进行有效的隔离，当电源失效时，有效的保护灯具不会损坏，更为重要的是保证了人身安全。并且目前使用最新PWM技术的开关电源，效率可达到70～90%左右，是LED灯具使用最多的一种开关电源。
安全：
①应符合IEC61347安全标准；
②防护等级高；
③开关电源有接地线，这样可降低悬浮电压和雷击干扰。
4．电源的防护等级：
I P X X
            表示外壳防止由于进水而对设备造成有害影响的防护等级
            对灰尘(包括固体)进入的防护
            国际防护等级标示
几种常用户外用防护等级说明：
IP66：表示向外壳各方向强烈喷水无有害影响，无灰尘进入；
IP67：表示浸入规定压力的水中经规定时间后外壳进水量不致达到有害程度，无灰尘进入；
IP68：表示按生产厂和用户双方同意的条件（应比IP67严酷）持续潜水后外壳进入水量不致达到有害程度，无灰尘进入。
5．防护等级与散热问题
a、防护等级在IP64以下的电源一般不采用灌封工艺，这样的电源一般采用外壳上的开孔进行散热，对于需要防水的LED灯具，电源的元器件就必须密封防水。
b、防护等级在IP65以上的电源一般采用树脂灌封工艺，这样的电源的是通过树脂将电源内部的温度传到电源外部，再通过LED灯具的金属外壳散发到空气中。
c、对于防护要求越高的LED灯具，出于散热及防水上的考虑就尽量采用防水的电源。
d、另外安装在高楼及阳光直射的地方，应尽量可能考虑到LED灯具散热问题，必须使用金属外壳进行有效的散热，夏天灯具需要延迟开灯的时间，避开强烈的阳光照射，待机体温度下降到一定值时才开灯，使灯具和电源处于正常的环境温度内工作。
附：IP防水等级说明
IP是Ingress Protection的缩写，IP等级是针对电气设备外壳对异物侵入的防护等级，来源是国际电工委员会的标准IEC 60529，这个标准在2004年也被采用为美国国家标准。
在这个标准中，针对电气设备外壳对异物的防护，IP等级的格式为IPXX，其中XX为两个阿拉伯数字，第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级，具体的防护等级可以参考下面的表格。
IP是国际用来认定防护等级的代号 Ip等级由两个数字所组成，第一个数字表示防尘；第二个数字由表示防水，数字越大表示其防护等组长越佳。　　防尘等级　　号码防护程度定义　　0 无防护无特殊的防护　　1 防止大于50mm之物体侵入防止人体因不慎碰到灯具内部零件防止直径大于50mm之物体侵入　　2 防止大于12mm之物体侵入防止手指碰到灯具内部零件　　3 防止大于2.5mm之物全侵入防止直径大于2.5mm的工具，电线或物体侵入　　4 防止大于1.0mm之物体侵入防止直径大于1.0的蚊蝇、昆虫或物体侵入　　5 防尘无法完全防止灰尘侵入，但侵入灰尘量不会影响灯具正常运作　　6 防尘完全防止灰尘侵入　　防水等级　　号码防护程度定义　　0 无防护无特殊的防护　　1 防止滴水侵入防止垂直滴下之水滴　　2 倾斜15度时仍防止滴水侵入当灯具倾斜15度时，仍可防止滴水　　3 防止喷射的水侵入防止雨水、或垂直入夹角小于50度方向所喷射之水　　4 防止飞溅的水侵入防止各方向飞溅而来的水侵入　　5 防止大浪的水侵入防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入　　6 防止大浪的水侵入灯具侵入水中在一定时间或水压的条件下，仍可确保灯具正常运作　　7 防止侵水的水侵入灯具无期限的沉没水中在一定水压的条件下，及可确保灯具正常运作　　8 防止沉没的影响。

发光二极管的实质性结构是半导体 PN 结。在 PN 结上加正向电压时注入少数载流子，
少数载流子的复合发光就是发光二极管的工作机理。PN 结就是指在一单晶中，具有相邻的
P区和 N区的结构，它通常是在一种导电类型的晶体上以扩散、离子注入或生长的方法产生
另一种导电类型的薄层来制得的。如曾用离子注入法制成碳化硅蓝色 LED，用扩散法制成
、 As0.60P0.40/GaAs0.35P0.65：N/GaP、GaAs0.15P0.85：N/GaP、GaP：ZnO/GaP 的
红外、红光、橙光、黄光、红光 LED，而 GaAlAs、InGaN、InGaAlP 超高亮度 LED 都是由
： LEDPN结也是用生长结制
成的。生长结一般较扩散法和离子注入法是过补偿制成结，
量下降，缺陷增多，使用权非辐射复合增加，导致发光效率下降。
、磷砷化镓、铟镓氮、
铟镓铝磷等 III-V 族化合物半导体材料，其他还有 IV 族化合物半导体碳化硅、II-VI 族化合
物硒化锌等。
GaAs Ga
生长结制成，效率较高的 GaAs、GaP ZnO/GaP和 GaP：N/GaP
PN 无用杂质过多且造成晶体质

常用来制造 LED 的半导体材料主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷

显色性 在很久以前，人类就已经开始对颜色进行比较，通常是把物体放在一起，然后在自然光（太阳光）底下观察。尽管火把、蜡烛、白炽灯和其他光源都可以用作照明，但人们都习惯在自然光（太阳光）下对颜色进行比较。
近几年，随着荧光灯和led（发光二极管）开始作为照明光源渐渐进入人们的眼球，物体在太阳光照射下，会显示它的真实颜色，但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的“显色性”。
"显色性"的意义就在于比较物体在这类新型光源下的颜色与在自然光下的颜色有何不同，以及二者之间的匹配度如何。我们称与自然光（太阳光）色调相近的光源具有好（高）的显色性。
在日常生活，我们能接触到许多不同类型的照明光源，如白炽灯、荧光灯和LED等。此外，荧光灯和LED都出现了"白"和"暖白"等系列产品。我们不难发现，物体在不同的荧光灯和LED（发光二极管）照明光源下颜色会产生差异。
下面，我们分别用高显色性的D50荧光灯、带有"自然白"标志的荧光灯和LED三个光源照明物体。

在人眼看来，它们都发白光，但自然白荧光灯的色温要稍高一些，看起来略微发蓝。

在通常情况下,我们衡量光源显色性的普遍方法是计算显色指数。按CIE (国际照明委员会) 的规定, 光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与参考标准下物体的颜色的符合程度的度量, 并且把普朗克辐射体作为低色温光源(小于5000K) 的参考标准, 把标准照明体D 作为高色温光源(大于5000K) 的参考标准。光源的色温(相关色温) 和显色性是评价光源的颜色特性的重要参数。
下面，我们通过用柯尼卡美能达的分光辐射亮度计CS-2000上配备一个亮度适配器，对三个光源进行了测量，得到三个点的色坐标和相关色温值。我们在右边的xy色品图上比较测量点，你会发现它们色坐标点很接近，且都在可见光范围内。

	D50荧光灯	自然白荧光灯	LED
x	0.3407	0.3372	0.3465
y	0.3518	0.3496	0.3662
相关色温	5173	5308	5004

D50荧光灯、自然白荧光灯和LED 的光谱分布相对强度、
接下来，我们用这三个光源照明生肉，并观察肉的显色状况。

在D50荧光灯照明下，肉和盘子看起来跟实际情况差不多，但在自然白荧光灯照明下，由于色温略高，肉和盘子看起来稍显苍白。用LED照明时，一切都显得更加昏暗。
（※三个光源在样品表面的照度都调节为大约1600lux。  ）

当用这三种不同光源照明样品时，尽管光源色坐标很接近，色温也差别不大，但样品颜色看起来会有所不同。
光源性能差异可以用"显色指数"描述。
国际照明委员会（CIE）对这个指数的定义是在特定辐射光源照明下，15个规定的测试颜色的视觉显示情况。
把这15个测试颜色从1到15进行编号，用R1-R15分别表示这15个颜色的显示指数。当把一个光源与规定的参考光源进行比较时，指数值为100是最好的。

根据柯尼卡美能达高精度的分光辐射亮度计CS-2000测得的光谱分布，再利用CS-2000的数据管理软件CS-s10w很容易计算得到如下显色指数：

	Ra	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7
D50荧光灯	91	94	91	86	90	93	89	90
自然白荧光灯	79	89	89	54	82	81	72	86
LED	68	65	74	79	68	65	62	81

	R8	R9	R10	R11	R12	R13	R14	R15
D50荧光灯	90	77	78	93	81	93	92	91
自然白荧光灯	76	16	40	63	55	92	70	92
LED	54	-39	36	61	31	66	88	59

R1 ~ R8称为“典型显示指数”。
Ra表示"平均显色指数"。它是指数R1 ~ R8的平均值。
R9 ~ R15称为"特殊显色指数"，尤其是R9（深色鲜红）和R15（中国和日本等黄种人的肤色）。
R9是评价红色复现质量的指标，可以用来评价生肉的显示性。从上述测试数据来看，生肉在这三种类型光源照射下的R9值相差很大，这也就解释了为什么三种光源照明下的生肉颜色会有这么大差别。

由于显色指数较低，此次使用的LED使肉和盘子看起来比较昏暗，但如果用高显色指数的LED照明，肉和盘子看起来会新鲜一些。
当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差程度越大，光源对该色的显色性越差。
对于超市和商店的肉制品橱窗的照明光源，R9显色指数就显得尤为重要；而对于演播厅、摄影棚等需要真实再现皮肤颜色的场合，照明光源的R15指数绝不能低；博物馆、美术馆等场所则要求对所有的颜色都能高度真实还原，对Ra和R1-R15指数的要求就更为严格。
针对适用场地的不同，国际照明委员会（CIE）一般把显色指数分成五类：　
类别 Ra 适用范围　　
1A ＞90 美术馆、博物馆及印刷等行业及场所　　
2B 80—90 家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业　　
2 60—80 办公室、学校、室外街道照明　　
3 40—60 重工业工厂、室外街道照明　　
4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方
随着LED照明的普及，尤其是室内照明的快速发展，对LED照明的显色性的研究将越来越得到科研机构和企业多方的重视。