Ein neuer Horizont des Lichts –LED-Beleuchtung und Anwendungen
Die Entwicklung von Leuchtdioden
Seit dem Aufkommen der Glühbirne im 19. Jahrhundert hat die Beleuchtung den modernen menschlichen Lebensstil verändert. Im 21. Jahrhundert hat grüne Beleuchtung im Streben nach einer nachhaltigen Entwicklung für den Planeten zunehmend an Bedeutung gewonnen. Da Glühlampen immer veralteter werden, sind Leuchtdioden (LEDs) zum vielversprechendsten Nachfolger der Beleuchtungsindustrie geworden und eröffnen neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Beleuchtungsindustrie.
LEDs sind eine Art Festkörperbeleuchtung und bieten Vorteile wie kompakte Größe, quecksilberfreien Betrieb, lange Lebensdauer, hohe Lichtausbeute, Stoßfestigkeit und schnelle Reaktion. Die Kernstruktur einer LED besteht aus einem Chip, der aus Halbleitern vom p--Typ und n--Typ besteht. Wenn eine Durchlassspannung an den pn-Übergang angelegt wird, wird Energie erzeugt, um die Bandlücke zwischen den Materialien zu überwinden, was zu einer Elektronen-Loch-Rekombination führt. Dieser Rekombinationsprozess kann als strahlend oder nicht-strahlend kategorisiert werden. Bei diesem Rekombinationsprozess wird Energie in Form von Licht und Wärme freigesetzt, was das Prinzip der LED-Lichtemission darstellt.
Die häufigsten Farben werden aus zwei oder mehr Primärfarben synthetisiert. Die drei Grundfarben des Lichts sind Rot (R), Grün (G) und Blau (B). Durch das Mischen dieser drei Grundfarben entstehen weißes Licht und andere Farben. Frühe LEDs hatten aufgrund ihrer geringen Lichtausbeute und des Fehlens blauer LEDs nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten.
Erst Mitte der 1990er Jahre entwickelte Dr. Shuji Nakamura, ein Wissenschaftler bei der Nichia Chemical Corporation in Japan, die erste hochhelle blaue LED, indem er Indiumgalliumnitrid (InGaN) auf einem Saphirsubstrat züchtete. Die Erfindung der blauen LED ermöglichte die Herstellung weißer LEDs durch Farbmischung, was dazu führte, dass Dr. Nakamura als „Vater der blauen LEDs“ geehrt wurde. Das Aufkommen weißer LEDs trieb die rasante Entwicklung der LED-Industrie voran und machte LEDs zu einem der wettbewerbsfähigsten Produkte in der optoelektronischen Industrie.
Im April 2012 gab Cree, ein großer amerikanischer Hersteller, bekannt, dass seine weiße Hochleistungs-LED einen neuen Rekord aufgestellt hat und eine Lichtausbeute von 254 lm/W bei einem Antriebsstrom von 350 mA erreicht hat. Diese Lichtausbeute übertrifft die anderer aktueller Lichtquellen und macht LEDs zu einer neuen Generation von Lichtquellen mit großem Potenzial, herkömmliche Lichtquellen zu ersetzen.
LEDs und menschliches Sehen
Beleuchtung basiert auf der menschlichen Wahrnehmung. Um Anwendungen für LED-Lichtquellen zu entwickeln, ist es daher notwendig, zunächst die Grundstruktur des menschlichen Auges und seine Reaktion auf Licht zu verstehen. Die menschliche Netzhaut besteht aus zahlreichen Photorezeptorzellen, die nach ihrer Form in Stäbchen und Zapfen eingeteilt werden. Wenn Licht in das Auge eindringt, übertragen Stäbchen und Zapfen Helligkeit bzw. Farbe an das Gehirn, um ein Bild zu konstruieren.
Zapfen und photopisches Sehen: Zapfen nehmen hauptsächlich Farben wahr und haben bei Tageslicht eine höhere Empfindlichkeit. Sie sind weiter in L-, M- und S-Zapfen unterteilt. L-Zapfen nehmen hauptsächlich Rot wahr, mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 564–580 nm; M-Zapfen nehmen hauptsächlich Grün wahr, mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 534–545 nm; und S-Zapfen nehmen hauptsächlich Blau wahr, mit einer Spitzenwellenlänge von etwa 420–440 nm.
Da verschiedene Zellen bei unterschiedlichen Lichtintensitäten unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen, hat die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) Standardkurven für die Sehfunktion erstellt. Wenn eine Person ohne L-, M- oder S-Zapfenzellen geboren wird, gilt sie als angeboren farbenblind. Hierbei handelt es sich um eine geschlechtsbedingte genetische Störung, die häufiger bei Männern auftritt. Sie können bestimmte Farben nicht sehen und haben im Allgemeinen eine schlechte Sehkraft.
Stäbchenzellen und skotopisches Sehen: Stäbchenzellen empfangen nur Licht und können keine Farben erkennen. Sie nehmen Schwarz-Weiß-Bilder wahr und funktionieren hauptsächlich bei schlechten{1}Lichtverhältnissen, beispielsweise nachts. Bei extrem niedrigen Lichtintensitäten ist das menschliche Auge hauptsächlich auf Stäbchenzellen angewiesen, daher der Begriff „skotopisches Sehen“. Bei schwachem Licht ist das Auge extrem lichtempfindlich, die Lichtempfindlichkeit ist sogar noch größer.
LED-Parameter
Eine wichtige Spezifikation für LED-Produkte ist der Lichtstrom. Der von einer LED abgegebene Lichtstrom wird in Lumen (lm) ausgedrückt. Das Verhältnis des Lichtstroms einer Lichtquelle zur aufgenommenen Leistung gibt ihre Lichtausbeute (lm/W) an. Eine höhere Lichtausbeute weist auf eine energieeffizientere Lichtquelle hin. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Farbtemperatur, die sich auf die Farbeigenschaften der LED-Beleuchtungsprodukte auswirkt.
Die Farbtemperatur ist definiert als die Temperatur, bei der ein schwarzer Körper so weit erhitzt wird, dass er die gleiche Farbe wie die Lichtquelle ausstrahlt. Sie wird in Grad Kelvin (K) ausgedrückt. Unterschiedliche Farbtemperaturen erzeugen unterschiedliche visuelle Erlebnisse. Wenn die Farbtemperatur beispielsweise unter 3.000 K liegt, tendiert die Lichtfarbe dazu, rötlich zu sein, was ein warmes und intimes Gefühl erzeugt; Wenn die Farbtemperatur 5.000 K übersteigt, tendiert die Farbe zu einem Blaustich, wodurch ein kühler und ruhiger Eindruck entsteht. Schwankungen in der Farbtemperatur einer Lichtquelle können die Raumatmosphäre beeinflussen. Beispielsweise hat eine Glühlampe eine Farbtemperatur von 2.700 K und eignet sich daher ideal für die Innenbeleuchtung. Auch die Farbtemperatur einer Lichtquelle beeinflusst die Eigenschaften des beleuchteten Objekts. Daher zeigen Beleuchtungsprodukte auf dem Markt im Allgemeinen Farbtemperaturen an, um den unterschiedlichen Verbraucherbedürfnissen gerecht zu werden.
Neben der Farbtemperatur ist auch die Beleuchtungsstärke eine wichtige Spezifikation. Die Beleuchtungsstärke ist definiert als der pro Flächeneinheit in einem bestimmten Abstand verteilte Lichtstrom, ausgedrückt in Lux. Die menschliche Wahrnehmung weist einen subtilen Zusammenhang mit Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke auf. Beispielsweise fühlt sich der menschliche Körper bei niedriger Farbtemperatur und hoher Beleuchtung stickig an; Bei niedriger Farbtemperatur und geringer Beleuchtung fühlt sich der menschliche Körper warm an. Die häufigsten Beleuchtungsanwendungen sind LED-Scheinwerfer, Strahler und Suchscheinwerfer.
Die Leuchtdichte (auch Helligkeit genannt) ist definiert als die Lichtmenge, die von einer Oberflächenlichtquelle in eine bestimmte Richtung relativ zu ihrer projizierten Fläche abgegeben wird. Luminance hat ein breites Anwendungsspektrum, darunter LED-Werbetafeln, Mobiltelefontafeln, Ampeln und Autorücklichter.
LED-Eigenschaften und Treiberschaltungen
Als neue Lichtquelle unterscheiden sich LED-Treiberschaltungen deutlich von den Vorschaltgeräten, die in herkömmlichen Leuchtstofflampen verwendet werden. Die Hauptfunktion von LED-Treiberschaltungen besteht darin, Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln und gleichzeitig die Spannung und den Strom der LED anzupassen. Daher bestehen LED-Lampen typischerweise aus zwei Komponenten: der Treiberschaltung und der Lichtquelle. Wenn es um LED-Treiberschaltungen geht, ist es am besten, zunächst die elektrischen Eigenschaften von LEDs zu verstehen.
Die Spannungs-Strom-Kennlinie von LEDs weist ein nichtlineares Verhalten auf. Wenn die Spannung an der LED die Spannung im eingeschalteten-Zustand überschreitet, steigt der Strom im eingeschalteten Zustand erheblich an. Diese Eigenschaft zeigt, dass beim Einschalten einer LED selbst kleine Spannungsschwankungen eine dramatische Änderung des durch sie fließenden Stroms verursachen können. Die LED-Strom--Lichtleistungskennlinie zeigt, dass die Lichtleistung der LED annähernd linear proportional zum Strom ist. Basierend auf diesen Lasteigenschaften verwenden typische LED-Treiberschaltungen hauptsächlich eine Konstantstromsteuerung, um einen präzisen LED-Betrieb unter geeigneten Betriebsbedingungen sicherzustellen.
LED-Spezifikationen
Die globale LED-Beleuchtungsindustrie entwickelt sich rasant. Da LED-Beleuchtungskörper immer beliebter werden, werden nach und nach globale Standards festgelegt. Energy Star ist ein internationaler Standard und ein internationales Programm für energieeffiziente Konsumgüter, das eine Reihe von Kategorien abdeckt, darunter Großgeräte, Bürogeräte, Beleuchtung und Heimelektronik. Zu den Tests für LED-Beleuchtungsprodukte gehören Umgebungstemperaturtests, Lebensdauertests, Messungen der Ulbrichtkugel und Lichtverteilungskurven. Darüber hinaus werden wichtige LED-Beleuchtungsparameter wie Farbwiedergabe, Leistungsfaktor, Farbtemperatur und Lichtausbeute reguliert. Angesichts der unterschiedlichen Qualität der LED-Produkte auf dem Markt können Verbraucher Zertifizierungszeichen verwenden, um die Qualität und Sicherheit von LED-Beleuchtungsprodukten sicherzustellen.
LED-Anwendungen
Die LED-Technologie hat sich rasant weiterentwickelt und ihre Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig. Die häufigsten Anwendungen finden sich in der Wohn-, Gewerbe- und Industriebeleuchtung, einschließlich Wandleuchten, Nachtlichtern, Leselampen, Strahlern, Lichtleisten, Downlights und Notfallanzeigen.
LED-Beleuchtung lässt sich auch in Kunst und Architektur integrieren. Licht-Kreationen sind ein häufiges Thema im Bereich der technischen Kunst. Für Künstler eröffnen die einzigartigen Eigenschaften von LED-Kaltlichtquellen im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen neue kreative Möglichkeiten.
Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungen sind LED-Wachstumslampen ein Segen für landwirtschaftliche Erzeuger. Ihr optimiertes künstliches Lichtspektrum schafft eine optimale Umgebung und Bedingungen für Pflanzen. Das typischerweise in Wachstumslampen verwendete rote und blaue Licht entspricht genau der für die Photosynthese erforderlichen Effizienzkurve und ist somit die optimale Lichtquelle für das Pflanzenwachstum. Wenn wir innovativere Anwendungen von LEDs fördern und das Vertrauen der Verbraucher in die Qualität von LED-Produkten stärken können, glauben wir, dass LEDs auf dem Beleuchtungsmarkt florieren werden!
In einer Welt schwindender Energie ist hocheffiziente-Beleuchtung eine der besten Möglichkeiten, Energie zu sparen. In einer typischen Stromverbrauchsstruktur kann die Beleuchtung bis zu 19 % des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Die hohe Lichtausbeute von LEDs macht sie zu einer vielversprechenden Alternative zu herkömmlichen Lichtquellen und damit zu einer vielversprechenden Option für energieeffiziente Beleuchtung. Darüber hinaus können LED-Anwendungen von Punktquellen auf Linien und sogar Flächen ausgeweitet werden, was zu innovativen Beleuchtungsanwendungen und einer Revolution in der Beleuchtung führt. Bei der Beleuchtung geht es nicht mehr nur darum, unsere Umgebung zu beleuchten; Es kann mit Kunst, Kreativität, Unterhaltung, Gesundheitswesen und Biotechnologie integriert werden und bringt neue Perspektiven in unser visuelles und alltägliches Leben.
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