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新素材氮化镓——吊灯LED轻便化的秘诀 mask

新素材氮化镓

吊灯LED轻便化的秘诀

2018.10.17 社会基础设施
本文看点
  • 剧院、电影院为什么不更换装有LED灯泡的照明设备?
  • 以“蓝色LED”著称的新素材推动了小型化、高性能LED灯泡的产生
  • 如何让LED灯泡发出如吊灯一般的七色光辉?

科技发展的浪潮改变着人类生活的方方面面。不知不觉之间,LED灯泡已渐渐取代传统的白炽灯泡,走进了千家万户,照亮了生活的各个角落。然而,这渐为人们所熟悉的LED灯泡也在不断更新变化着。在这一期的匠心芝语里,我们就将跟随东芝照明科技研发小组的脚步,一起去看看LED灯泡的进阶之路!

在讲到LED灯泡的更新换代之前,我们不得不先提到灯泡的调光性能。灯泡的调光性能对于日常应用来说,非常重要。例如:在剧院和电影院中,放映前通常会采用渐弱方法调暗灯光环境,以便观众将情绪转移到作品上。这需要渐渐调暗灯泡的光线,等光线暗到肉眼无法识别周围环境之后再完全关闭。

为了节约能源,生活中大部分的白炽灯泡已经被更换为了LED灯泡。但剧院、电影院、酒店等场所的灯泡却很难被成功更换。为什么呢?最主要的原因与我们在上面提到调光性能有关:传统LED灯泡的调光性能比白炽灯差。传统的LED灯泡不仅很难将光线聚集到最大,也容易出现明显的闪烁现象。除调光性能外,LED的劣质颜色和偏大尺寸也使得它无法安装在吊灯等现有照明设备上。

因此,改进传统的LED灯泡调光性能成了东芝照明研发的重中之重。而针对以上难题,东芝也给出了完美的解决方案——东芝新型LED灯泡。

一、为什么LED灯泡会闪烁?

“传统的LED灯泡会闪烁,是因为调光器的设计匹配的是旧有的白炽灯泡。在这种情况下,安装与白炽灯泡性能不同的LED灯泡,调光器自然会产生故障。”

东芝照明技术株式会社 技术品质统筹部 大武宽和先生

东芝照明技术株式会社
技术品质统筹部 大武宽和先生

这是东芝照明技术株式会社技术品质统筹部大武宽和先生指出的。调光器、灯泡分别安装在房屋中,用于调节灯光量。据大武先生指出,灯光淡入/淡出的问题也是由于LED灯泡与调光器的不兼容而造成的。

当白炽灯泡与调光器组合时,可适当调暗亮度以使其感觉“不黑但是足够暗”。 但LED灯泡控制输出的电流量很小并且非常难控制。

人们可能会考虑不依赖现有的调光器。但很少有人愿意仅因为更换灯泡,就动工更换调光设备和电线接线。所以,为了改善LED灯泡本身的调光性能,我们需要给灯泡安装上功能部件。

“事实上,(功能部件)很难安装。因为如果那样做,电源电路的体积会变得很大,甚至比灯泡的还要大。显然,这是不现实的。”(大武先生)

在LED灯泡中,与光源部相比,电源电路的体积较大

在LED灯泡中,与光源部相比,
电源电路的体积较大

电源电路的小型化是大武先生的开发团队正在研究的课题。他们的关注点是氮化镓((Gallium Nitride、GaN),一种因诺贝尔奖而闻名的蓝色LED材料。

二、在吊灯上安装LED

氮化镓(GaN)是著名的蓝光LED材料,它的开发者也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。当该材料用于晶体管时,与传统硅半导体相比,其传导损耗1更小且可更高速运转2。它是下一代半导体材料之一。
1:传导损耗是指电流流过产生的热量(电力)。传导耗损越小,消耗的功率(损耗)越小,半导体的性能则越高。由于损耗会变为热量,因此需要散热机等部件。
2:用于电源电路开关的晶体管高速重复开/关,每单位时间的操作次数取决于其使用的半导体材料。与现有材料硅相比,GaN材料可以实现10倍以上的操作。

“我认为,要实现电路板上的元件小型化,只能提高半导体的性能。GaN材料不仅可以提高工作频率,还能缩小周围部件的体积。而且,即使流过相同电量的电流,GaN材料损失的电力和散热机构部件的体积也都相对较小。”(大武先生)

大武先生

大武先生

以这种方式,我们顺利实现了电路的小型化,也成功地将抑制闪烁的电气功能部件和光学控制部件安装在了LED灯泡上。从此,LED灯泡就拥有了了与白炽灯泡相同的尺寸与功能。搭载了该氮化镓材料的LED灯泡广泛应用于各种场合,其中之一就是日本明治纪念馆的蓬莱间。

日本明治纪念博物馆 蓬莱间的吊灯

日本明治纪念博物馆 蓬莱间的吊灯

“2017年9月,在日本东京的综合会议和活动场馆、明治纪念馆博物馆的蓬莱间吊灯里的白炽灯泡被搭载了氮化镓材料的LED灯泡所取代。重点是它不仅抑制了闪烁,还重现了白炽灯泡的灯丝3亮度”(大武先生)。
3:照明设备的配件之一,由细金属丝构成。在白炽灯泡中,当电流流动时,灯丝会发出强烈的光。

吊灯的玻璃珠起到了棱镜的作用。当光线由较小的发光点进入玻璃珠,会自动折射成七种颜色。相反,当它由较大的发光点入射,进入玻璃珠的光就会从各个方向分别扩散,相互混合后再返回到原始的光色。

三、为了使吊灯闪耀七色光芒,需缩小发光点

“小发光点、高亮度的发光部件可以使电路部分变小。这样,吊灯上就可以安装其他的光学控制部件了。蓬莱间吊灯能通过LED灯泡实现亮度,其实是 氮化镓材料在发挥作用。”(大武先生)

这种搭载了氮化镓材料的LED灯泡荣获了众多奖项,包括“2017年度日本节能大奖资源能源厅长官奖(节能领域)。”

“在开发过程中,一个问题解决后,还会有下一个挑战在等着我们。整个过程,几经反复,让人筋疲力尽。虽然电源电路主要是由我们研发的,但氮化镓材料的成功是东芝多个部门同心协力的结果。”(大武先生)

LED电源电路研发团队成员

LED电源电路研发团队成员

没想到,小小的LED灯泡,背后却蕴含了如此大的智慧与辛劳。未来,在东芝团队的不懈努力与执着追求下,相信这款搭载了氮化镓的LED灯泡会在越来越多新的地方被点亮。

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