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水草造景灯具之LED灯

水族圈 2019-01-10 17:06:31

LED的简介


真正的三基色灯珠,最明显的标志就是6个引脚

发光二极管(英语:Light-Emitting Diode,缩写:LED)是一种能发光的半导体电子元件,透过三价与五价元素所组成的复合光源。此种电子元件早在1962年出现,早期只能够发出低光度的红光,被惠普买下专利后当作指示灯利用。及后发展出其他单色光的版本,时至今日,能够发出的光已经遍及可见光、红外线及紫外线,光度亦提高到相当高的程度。用途由初时的指示灯及显示板等逐渐发展至普通照明用途。

发光二极管只能够往一个方向导通(通电),叫作正向偏置(正向偏置),当电流流过时,电子与空穴在其内重合而发出单色光,这叫电致发光效应,而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体物料种类与故意掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率近年有所进步;每千流明成本,也因为大量的资金投入使价格下降,但成本仍远高于其他的传统照明。虽然如此,近年仍然越来越多被用在照明用途上。

LED的发展史    

1961年,美国公司德州仪器的Robert Biard与Gary Pittman首次发现了砷化镓及其他半导体合金的红外放射作用。1962年,通用电气公司的尼克·何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管。

1993年,日本日亚化学工业(日语:日亜化学工業)(Nichia Corporation)工作的中村修二成功把镁掺入,造出了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓(InGaN)、具有商业应用价值的蓝光发光二极管。 2014年凭借“发明高亮度蓝色发光二极管,带来了节能明亮的白色光源”, 中村修二与天野浩及赤崎勇得到诺贝尔物理学奖。

有了蓝光发光二极管后,白光发光二极管也随即面世,之后LED便朝增加光度的方向发展,当时一般的LED工作功率都小于30至60mW(毫瓦)。1999年输入功率达1W(瓦)的发光二极管商品化。这些发光二极管都以特大的半导体芯片来处理高电能输入的问题,而半导体芯片都是被固定在金属片上,以助散热。

2002年,在市场上开始有5W的发光二极管的出现,而其效率大约是每W (瓦)18-22 Lm(流明)。

2003年9月,Cree, Inc.公司展示了其新款的蓝光发光二极管,在20mW下效率达35%。他们亦制造了一款达65 Lm/W(流明每瓦)的白光发光二极管商品,这是当时市场上最亮的白光发光二极管。2005年他们展示了一款白光发光二极管原型,在350mW下,创下了每瓦70 Lm的记录性效率。

2009年2月,日本发光二极管厂商日亚化学工业(日语:日亜化学工業)发表了效率高达249 Lm/W的发光二极管,此乃实验室数据。

2010年2月、Philips Lumileds造一白色LED在受控的实验室环境内,以标准测试条件及以350mA电流推动下得出208Lm/W,但由于该公司无透露当时的偏置电压,所未能得知其功率。

2012年4月、美国发光二极管大厂科锐(Cree)推出254 Lm/W光效再度刷新功率。

白光LED的生产技术

白光LED的生产技术目前主要有3种:


白光LED的成色原理

第一种:利用三基色原理和目前已能生产的红、绿、蓝三种超高亮度LED按光强3:1:6比例混合而成白色光。这样产生的白光发光二极管有较广的色域,而且光效较其他方法高,不过成本也比较高。近年在生产技术的改进下,越来越多产品采用这方法。

一般的三基色灯珠都是6只引脚的,还有一种三基色灯珠,把6个引脚中的3个做到了一起,称为“共用阴极”技术,简称“共阴”,这样的三基色灯珠有4个引脚,也比较容易辨认。


共用阴极三基色灯珠

第二种:是用紫外光LED照射两种荧光剂,使其中一种含铕的荧光剂产生红光和蓝光,同时使另外一种含铜的荧光剂产生绿光,三种颜色的光混合而成白光。 但由于紫外线会使黏合剂中的环氧树脂劣化变质,所以生产难度较高,而且寿命也较短。与第一种方法比较,光波在转化过程中有较多被转化成热能,因此发光效率 较低,但好处是光谱的特性较佳,产生的光比较好看。而由于紫外光二极管功率较高,所以其总效率虽比第一种方法低,但最终的亮度却差不多。

第三种:也是最早问世的白光LED,利用超高亮度蓝色LED照射荧光剂,使它能激发出黄光,这种黄光能刺激人眼中的红色及绿色视锥细胞,给人的感觉好像是同时看到了红光和绿光一样,再混合剩余的蓝光,就产生了类似白光的“伪白光”。

而其所呈现的色泽常被称作“月光的白色”。基于其光谱缺乏红绿光的特性,红色和绿色的物体在这种发光二极管照射下看起来会不及宽带谱光源照射时那么鲜明。另外由于生产工艺的波动,这种发光二极管成品的色温并不统一,从暖黄色到冷蓝色都有,最后还要按成品的色温进行筛选。


白光LED

白光LED的光谱

先看下图伪白光LED的光谱与普通白炽灯光谱的对比,可以看出这种LED的光谱中红色光比较缺乏。

红光的波长介于620到750nm之间,在620到650nm这个比较窄的区间里,伪白光LED发出的橙红色光要略强于普通白炽灯,但在650到750nm这个广泛的区间内,白炽灯发出的正红色光要远远多过伪白光LED,而且波长越长,相对发光强度越大。超出750nm的部分,为肉眼不可见的红外线,普通白炽灯的光谱中含大量红外线,所以这种灯具发出的光具有很高的热能,在冬季养殖爬行动物经常会用它来加温,而伪白光LED在超出750nm的红外线部分几乎可以忽略不计,没有红外线产热,这也是人们将LED列为冷光源的重要原因之一。(LED灯珠还是会发热的,有些热量甚至很高,但LED发出的光线通常是不会产热的)水草最需要的是红色和蓝色光,伪白光LED能够提供充足的蓝色光,但是缺乏红光是一个致命的弱点,这往往成为伪白光LED灯具的一个短板,很多早期的LED水草灯具养草效果很差就是因为这个原因,另外因为它的光谱中较少红绿光,使得红色及绿色水草的显色也不大正常,这就更加雪上加霜,使得很多早期LED玩家出现一个认识上的误区就是LED灯没法养好水草,进而否定所有的LED灯具,其实这是不正确的想法,即便是伪白光LED,在灯珠数量足够多的情况下,也可以弥补红光缺乏的弱点,当然这种灯具绝对不会比普通的荧光灯省电,而且显色性也差一些,另外据说蓝光过多也容易导致某些藻类暴发,总体来说不大适合养水草,但是使用得当的话,也不是完全不可以的。值得注意的是,某些成品伪白光LED灯号称能够养水草,但是单个灯珠瓦数不大而且灯珠排列又特别稀疏,这样的LED灯只能用来养鱼,养水草的话可以说是惨不忍睹,阴性草都未必能够养活,这种灯多见于小型成品缸上,鱼友购买时要特别谨慎。

再来看一下三基色LED的光谱图:


可以看到蓝、绿、红3个明显的波峰,接下来再对比一下飞利浦965荧光灯的光谱图,它和我们常用的飞利浦865灯管光谱几乎一样,就是显色性更好,因为性价比的关系,人们更多会选择865而不是965灯管。


飞利浦965荧光灯的光谱图

可以看出,飞利浦965灯管的光谱与三基色LED灯的光谱没有太大区别,只是橙色光略多一点点而已。也就是说,能用飞利浦865灯管养好的水草,一般都能用三基色LED灯养好,只要功率足够就行。三基色LED灯也是三种LED灯中最适合养水草的(紫外光LED虽然也是靠紫外线照射荧光剂发出三原色光混合成白光,但其价格较高且寿命较短,市场上几乎买不到,而且它的各方面性能均不如三基色LED)。

LED灯的优点及缺点

优点

①比较省电:在低光度下LED灯将电能转换成光能的效率较高,非常适合在低光度需求中(如手提电话的背光、夜灯)使用。当提高光度至台灯般或更高时,发光二极管的发光效率虽然会有所降低,但只比荧光灯低一点点,比普通白炽灯还是要高一些。

②使用寿命长、反应时间短(以ns为单位):LED灯可以达到很高的闪烁频率,且不因连续闪烁而影响其寿命。在实验室的理想环境下可达到10万小时的寿命,即便是在50度以上的高温,使用寿命还有约4万小时,远超T8荧光灯管的8000小时,和T5灯管的2万小时。

③耐震荡等机械冲击:由于LED灯都是固态元件,没有灯丝、玻璃罩等,相对荧光灯、白炽灯等能承受更大震荡。

④体积小:LED发光体其本身体积可以造得非常细小(小于2mm),便于聚焦。因发光体体积极小,而易于以透镜等方式达致所需集散程度,藉改变其封装外形,其发光角度由大角度散射至小角度聚焦都可以达成。

⑤安装比较方便:LED灯珠采用串联的方式,便于DIY,也有利于分路控制。灯具的形状可以根据环境随意改变,可塑性极强。一般不需要专用的反光板,也不需要镇流器,可以做出超薄超窄的轻便灯具。

缺点

①光效较低:发光二极管在高光度下效率较低,在一般照明用途上仍比荧光灯耗电,有些发光二极管灯甚至比省电灯泡效率还要低。

②发热较多:光效受高温影响而急剧下降,浪费电力之余也产生更多热,令温度进一步上升,形成恶性循环。除浪费电力也缩短寿命,因此需要良好散热。

③需要专用电源:由于LED的驱动电压较低,一般家用电压为100V~240V,需要将LED及变压器包装为灯泡或灯管才能应用于家中,而在降低成本的考量下,许多市售产品搭配品质较差的变压器,而加快损坏的可能。

④成本较高:因为发光二极管为点光源,发光点面积小、分布较集中,作照明用途时会刺眼,必须运用光学设计分散光源。所以增加了一些透镜等光学元件以及散热设备,使得成品的价格明显增高。另外发光二极管光度并非与电流成线性关系,光度调节略为复杂。成本较高,售价因此也较高。

⑤演色性仍待加强:传统灯泡、卤素灯演色性极佳,而荧光灯管也容易找到高演色性的产品,但伪白光LED的演色性始终较差,三基色正白光的演色性目前与荧光灯管比较接近。每枚发光二极管因生产技术问题都会在特性(亮度、颜色、偏置…等)上有一定差异,即使是同一批次的发光二极管差异也不少。许多LED有过蓝的问题。

LED灯在水草缸上的应用

最早的LED水草灯是玩家用红、绿、蓝三色灯珠按比例混搭制成的,当时还没有三基色LED灯珠,而且单色灯珠的瓦数通常也比较小,所以需要大量的灯珠密集排列在一起,发热相当高,需要专门的降温风扇和散热片。下图就是一个台湾玩家DIY的LED灯,用了256颗红灯珠、128颗绿灯珠和128颗蓝灯珠。

这个34瓦的自制大功率LED灯经11周测试完全能够在40标准缸养爬牛毛毡并且令小水兰暴缸,下面是开缸七周后和十一周后的对比图:

随着大功率三基色LED灯珠的问世。LED水草灯也开始了日新月异的发展,灯珠数量越来越少,灯具体积越来越小,因为不需要庞大的反光板,只需要一个小小的透镜,就能让灯珠把绝大多数光线汇聚到底床上,所以LED灯具通常都可以做得很薄很窄,这样方便日常擦缸、修剪等维护,既不用把灯具吊高也不用将其翻起来,只需前后推动灯具即可获得充裕的空间。而且很多厂家用亚克力来制作灯体,使得整个灯具具有一种通透感,看上去好像和下面的超白缸浑然一体,这也是其他灯具做不到的地方。

LED灯照明评估

LED灯用于水草缸的照明上比较难以评估其效果,常用的测流明的方法会出现较大误差,所以业界多采用测PAR的方法代替。
首先解释一下什么叫PAR,PAR是英文“Photosynthetic Active Radiation”的缩写,这三个单词的含义如下:

Photosynthetic(光合作用的)
Active(活跃的、积极的)
Radiation(放射线)

中文翻译成“光合作用有效能量”,指的是在每单位面积每单位时间内,介于波长 400 至 700 nm 光谱范围内的照射光能。单位为 PAR J/(m^2/s) 或 PAR W/m^2。(举例来说,假如一个底面积为1平米的草缸,它的底床部位测出PAR为500W/m^2,就意味着它的有效照明为500瓦,低于400纳米和超过700纳米波长的光线对光合作用基本无效,这些光线所产生的能量没有被计算在里面。)

还有一种常用的PAR测量单位是μmol/m^2/s,指的是在单位时间内,通过单位面积的符合条件的光子数目(所谓的符合条件是指光的波长介于400到700 nm之间)。举例来说,某处的PAR为50μmol/m^2/s,意味着在那个地方,每平米范围内每秒钟会有50微摩尔的光子通过(不符合条件的会被排除在外)。一摩尔的光子(6.022*10^23个)又称为一E,因为爱因斯坦(Einstein)是光电效应的发现者,因此科学界以他名字的第一个字母E为单位来纪念他,所以50μmol/m^2/s也可以写成50μE/m^2/s。

测PAR是比测流明更好的光合作用效能测量方式。用PAR来测量LED灯的性能会比较精准,但是需要专门的设备,常用的是光量计(Quantum Meter,见上面的图),用它来测量草缸底床部位的PAR即可确定当前的灯具是否能够养好水草。

因为光量计比较昂贵,动辄就要几千元,而且用处也不多,普通玩家很少愿意买这样的设备,所以需要更方便的方法来估算LED灯是否达标。

来源:菠萝兔

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