Der größte Teil des heutigen Beleuchtungsstandards “Weiß” LED -Pflanzen -Aquariumleuchten verwenden Ingan -Halbleiter, um Licht im blauen Teil des Spektrums auszugeben, kombiniert mit Yttrium-Aluminium-Granat (Yag) Leuchtstoffe (mit Cer dotiert). Die blauen Photonen der meisten LEDs werden vom Leuchtstoff absorbiert und im gelben Teil des Spektrums wieder emittiert. Die Mischung aus den verbleibenden blauen Photonen und der gelben Beleuchtung sorgt für eine gute Annäherung an weißes Licht für das Auge.
Diese Kombination aus LED und Phosphor ist eine bewährte Technologie mit guter Leistung, aber nicht perfekt. Ein offensichtlicher Nachteil dieser LED ist das Fehlen rotbezogener Farblichtanteile. Die Farbtemperatur (CCT) Das von dieser LED abgegebene Licht ist relativ schlecht und der Farbwiedergabeindex ist relativ schlecht (CRI) ist relativ gering. Durch die Kombination von YAG-Leuchtstoffen mit anderen Materialien wird die rote Lumineszenz erhöht, was zur Verfügbarkeit von führt “warm” Weißes LED-Pflanzenlicht, aber auf Kosten der hart erkämpften Wirksamkeit.
In diesem Artikel wird erläutert, wie man Phosphor für die Beleuchtung von LED-Pflanzenaquarien einsetzen kann, um den Herausforderungen zu begegnen, Anschließend wird untersucht, wie sich die Phosphorforschung auf die Effizienz der Festkörperbeleuchtung auswirkt, CCT und CRI.
Was ist YAG-Phosphor?
YAG ist ein professionelles chemisches Material mit hohem Phosphorgehalt und kann die Helligkeit von LEDs erhöhen. Das Material enthält das seltene Erdelement Cer (wissenschaftlich als Y3Al5O12 bezeichnet: Ce3 +). Es wurde zum ersten Mal synthetisiert 1967. Die Synthesemethode wurde durch die Verbesserung des Prozesses für CRT-Leuchtstoffmaterial erreicht.
Funktionsprinzip des YAG-Leuchtstoffs
Das spezifische Prinzip besteht darin, dass die von der blauen LED emittierten blauen Photonen von den äußeren Elektronen der Moleküle oder Atome im YAG-Leuchtstoff absorbiert werden. Die Elektronen, die die Photonenenergie absorbieren, enthalten eine höhere Energie und sind schneller, und wird in die höhere Energieregion übergehen. Dieser Vorgang wird aufgerufen Elektronenübergang. Die Energie wird beim Übergang des Elektrons in einen neuen stabilen Zustand freigesetzt, Photonen mit längeren Wellenlängen als absorbierte Photonen (leicht rot, etwas Grün und viel Gelb), Andere Teile der Energie werden als Wärmeenergie abgestrahlt, und die Elektronen wechseln von einem aktiven Zustand in einen stabilen Zustand.
Prinzip der Weißlichterzeugung bei LED-Pflanzenaquarienlicht
Die hauptsächliche gelbe Lumineszenz des YAG-Leuchtstoffs und die blaue Strahlung direkt vom LED-Pflanzenlicht werden durch das YAG kombiniert:Ce-Beschichtung “Leckage”, Dies kann eine gute Annäherung an weißes Licht sein, welches blaues Licht in umwandelt “Weißes Licht” durch die Absorption und Wiederemission des Leuchtstoffs. Das Phänomen wird Stokes-Verschiebung genannt, benannt nach dem irischen Physiker George G. Stokes, der diesen Effekt in einem Artikel in beschrieben hat 1852. Die obige Abbildung zeigt, wie die Stokes-Verschiebung durch die Absorptions- und Emissionskurven von YAG-Leuchtstoffen auftritt.
Vorteile von YAG-Leuchtstoff
Die obige Abbildung zeigt die relative spektrale Emissionskurve moderner weißer LED-Pflanzenbeleuchtung mit YAG-Leuchtstoffen (in diesem Fall, OSRAM OSLON SSL 150 LED produziert 136 lm (Vorwärtsstrom 350 ma, Durchlassspannung 3.1 V), mit einem Wirkungsgrad von 125 lm /W. Die gestrichelte Linie ist eine Funktion der Empfindlichkeit des Auges, Gibt an, wie das Auge auf Licht unterschiedlicher Wellenlänge reagiert. Obwohl der erste Höhepunkt (entsprechend dem blauen Photon direkt von der LED) ist größer, es ist weniger offensichtlich, weil das Auge lichtempfindlich ist. Im Gegensatz dazu unempfindlich, Die vom Leuchtstoff emittierten Photonen sind zentriert 560 nm – der Punkt, an dem das Auge Licht am besten wahrnimmt.
Da es sich um eine bewährte Technologie handelt, die akzeptable Ergebnisse liefert, Die Eigenschaften von YAG stellen den Maßstab für andere LED-Leuchtstoffe dar. YAG-Leuchtstoff kann nicht nur blaue Photonen effizient absorbieren, sondern auch schnell Energie freisetzen. Danach absorbieren die Atomelektronen des YAG-Phosphors die Energie blauer Photonen, Sie werden schnell gelbe Photonen und Energie freisetzen, Dadurch wird das Phänomen der Sättigungslöschung wirksam reduziert. Dies ist ein Prozess, bei dem die emittierten Photonen normalerweise sind “untergetaucht” und verhindern, dass der hohe Photonenfluss in der Leuchtstoffmatrix entweicht.
YAG-Leuchtstoffe haben viele Vorteile für andere LED-Anwendungen. Erstens, YAG-Leuchtstoff hat eine hohe Photonenumwandlungsrate. Unter der Bestrahlung mit blauem Licht, YAG-Leuchtstoff kann umwandeln 80% der absorbierten blauen Energie in längerwelliges Licht um. Zweitens, YAG-Leuchtstoff weist eine gute Stabilität auf, auch wenn es längere Zeit durch blaue LED erregt wird oder längere Zeit der Luft ausgesetzt ist, es wird sich selten verschlechtern. Endlich, Die Synthese von YAG-Leuchtstoffen ist relativ einfach und die Kosten relativ gering. Bei den meisten verwendeten Materialien handelt es sich um Materialien, die zur Synthese herkömmlicher Phosphor-CRTs verwendet werden, einschließlich hochreiner chemischer Rohstoffe Y2O3, Al2O3, CeO2, usw.
Nachteile von YAG-Leuchtstoff
Trotz der bewährten Leistung von LEDs, YAG-Leuchtstoffe sind nicht perfekt. Zwei praktische Probleme sind “Temperaturabschreckung” und relativ geringe chemische Stabilität. Der Grund für die Temperaturabschreckung ist schwer zu verstehen, aber in Laiensprache, Eine erhöhte Temperatur führt dazu, dass Elektronen normalerweise blaue Photonen absorbieren (und dann gelb emittieren) “fehlen” (mit anderen Worten, Atome sind ionisiert). YAG-Leuchtstoff wird durch Temperaturabschreckung bei etwa 200 °C beeinträchtigt, und die LED erfährt im Normalbetrieb keine ungewöhnlich hohe Temperatur. Zusätzlich, Die geringe chemische Stabilität des Materials begrenzt die Lebensdauer der LED (Definiert als der Punkt, an dem die Leuchtkraft des Geräts abnimmt), was die Ausbeute um reduziert 70% wenn es neu ist. Der Hersteller widerlegt dieses Argument mit dem Hinweis, dass modernes weißes LED-Pflanzenlicht durchaus funktionieren kann 30,000 Stunden oder mehr, aber die Forscher sagen, dass dies unter gemessen wird “Ideal” Betriebsbedingungen, und chemische Instabilität können sich in rauen Umgebungen auf die Leistung der verwendeten Geräte auswirken.
Jedoch, Die vielleicht größte Herausforderung für YAG-Leuchtstoffe ist die ästhetische Herausforderung. Hersteller von Festkörperbeleuchtungen möchten die Verbraucher dazu bringen, diese Technologie zu akzeptieren, aber eine häufige Beschwerde ist, dass die “blendend” Licht, das durch weißes LED-Pflanzenlicht erzeugt wird, hat fast kein “Wärme” herbeigeführt durch traditionelle Glühlampenbeleuchtung. Dieses Gefühl ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der YAG-Leuchtstoff erzeugt wird “Blau” weißes Licht mit geringem Rotlichtanteil. Das Ergebnis ist hell mit hohem CCT (5000 bis 8300K). Das Fehlen einer signifikanten roten Wellenlänge führt zu einem weiteren Problem für YAG-Leuchtstoffgeräte: schlechter CRI. Der CRI ist ein Maß für den Grad, in dem eine beleuchtende Lichtquelle die Farbe eines Objekts im Vergleich zum Sonnenlicht wiedergibt (CRI ist 100). Trotz der offensichtlichen Mängel, Der CRI einer Glühbirne liegt bei ca 95. Im Gegensatz, Kaltweißes LED-Pflanzenlicht hat normalerweise einen CRI von 70 Zu 80.
Erzeugung von rotem Licht im LED-Pflanzenaquarienlicht
LED -Hersteller haben die Herausforderungen von CCT und CRI bis zu einem gewissen Grad gelöst, Mischen von YAG-Leuchtstoff mit einem anderen Leuchtstoff mit zusätzlicher roter Wellenlänge, um den CCT auf wärmere Bereiche auszudehnen und den CRI zu verbessern. Der Ersatz von UV-LEDs durch blaue LEDs kann CCT und CRI weiter verbessern. LED-Hersteller bieten kommerzielle UV-Produkte zu diesem Zweck. Zum Beispiel, Philips Lumileds bietet eine Ultraviolett-Version seiner Luxeon LED an. Das Gerät sendet eine Wellenlänge zwischen 395 Und 400 nm, und die minimale Strahlungsintensität bei 500 mA ist 525 mW/sr. (Aufgrund der Unfähigkeit des Auges, ultraviolettes Licht zu sehen, die Strahlungsintensität (Watt/Steradiant) von UV-LEDs wird statt der bekannteren Effizienz bewertet (lm/W) Daten werden durch weiße LEDs angezeigt.)
Der Hauptnachteil des Hinzufügens “Rot” Leuchtstoffe ist die verringerte LED-Effizienz. Um die Sache noch schlimmer zu machen, Die Temperaturlöschschwelle des roten Leuchtstoffs ist sogar niedriger als die des YAG-Leuchtstoffs, Die Effizienz der typischen LED-Betriebstemperatur wird weiter reduziert.
Die weiße LED-Pflanzenaquariumleuchte von MOKOLight hat eine Arbeitsspannung von 350 mA und 2.85 V, aber das kühle Weiß (5000 K) Version hat eine Leuchtkraft von 135 lm und eine Wirksamkeit von 135 lm/W, während die Helligkeit des warmen Weiß (2700 K) ist bzw. Es ist 97 lm und 97 lm/W. Im Vergleich zu kaltweißen Geräten, Warmweiße Produkte anderer Hersteller weisen einen ähnlich geringen Wirkungsgrad auf. Die obige Abbildung zeigt den Unterschied zwischen CCT und CRI von blauem LED- und YAG-Leuchtstoff, und die Mischung aus UV-LED und YAG-Leuchtstoff und rotem Leuchtstoff.
Bemühungen zur Verbesserung der Phosphoreffizienz
In den letzten fünfzehn Jahren, Das Streben nach LED-Effizienz war ein wesentlicher Antriebsfaktor bei der Entwicklung von Festkörperbeleuchtungskomponenten für große Hersteller. Bei der anfänglichen Erzeugung von Photonen und der Extraktion von Photonen aus der Form wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Das Letzte, was die Hersteller wollen, ist die relativ geringe Umwandlungseffizienz roter Leuchtstoffe, was sich auf die Leuchtkraft ihrer warmweißen LEDs auswirkt.
Hersteller investieren mehr Zeit und Erfahrung in die Erforschung neuer Leuchtstoffmaterialien, in der Hoffnung, Leuchtstoffe mit höherer optischer Umwandlungsrate zu erhalten, und Leuchtstoffe können mehr Farblicht abgeben und eine bessere Farbwiedergabe erzielen. Die vielversprechendsten Kandidatenprodukte sind Nitride und Oxinitridmaterialien, die ein weiteres seltenes Elementmetall, Europium, verwenden (Eu) um die Elektrolumineszenzeigenschaften von Cer zu ersetzen. Viele dieser neuen Leuchtstoffe können mit violetten oder blauen LEDs angeregt werden und passen den Raum mit der Hochtemperatur-Quanteneffizienz von YAG an: Ce-Leuchtstoffe. Zusätzlich, Der Nitrid-Leuchtstoff zersetzt sich unter Bedingungen hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit nicht, Daher eignet es sich für LED-Beleuchtung in rauen Umgebungen.
Eine Reihe hocheffizienter Stickoxid-Leuchtstoffe sind MSi2O2N2: Eu 2 + (wobei M = Ca 2 +, Sr 2 +, Ba 2 +) Zusammensetzung, mit einem Emissionsbereich von 575 Zu 675 nm, bei Temperaturen über 200°C , Die Quanteneffizienz ist größer als 85% (Abbildung oben). Das Gelb, Orange und Rot EU 2 + Das durch diese Nitridphosphor umgewandelte Farblicht wird mit dem durch YAG erzeugten grünen Licht kombiniert. Das synthetisierte weiße Licht hat eine bessere Farbtemperatur und eine höhere Farbwiedergabe als das zuvor synthetisierte weiße Licht. Derzeit, Das warmweiße Licht auf dem Markt besteht im Wesentlichen aus der phosphoreszierenden Mischung von Caalsin3: EU 2 + und YAG: CE kombiniert mit blauer LED.
Ein Nachteil besteht darin, dass diese neuen Materialien zwar ein großes Potenzial haben, Ihre Synthese ist viel schwieriger als bei herkömmlichen Leuchtstoffen. Jedoch, Dies hat einige unternehmungslustige Hersteller jedoch nicht davon abgehalten, Nitridleuchtstoffe auf den Markt zu bringen. Intematix hat seine Phosphor-Produktlinie um rote Nitridmaterialien erweitert 2011. Die Leuchtstoffe des Unternehmens werden in hocheffizienten warmweißen LEDs für die Allgemeinbeleuchtung eingesetzt, Bereitstellung zusätzlicher Anreize für Kunden, um sie vor bestimmten Patentlizenzproblemen zu schützen.
Das Unternehmen behauptet, dass der neue Leuchtstoff es dem Beleuchtungsmarkt ermöglichen wird, warmweiße Anwendungen mit höherer Effizienz und höherem CRI zu schaffen (bis zu 98) als herkömmliche YAG-Phosphorlösungen. Es wird gesagt, dass die Verwendung dieser neuen Art von Leuchtstoff den Kunden dies ermöglicht (rechtlich) bestimmte Patente im Zusammenhang mit der Anwendung von YAG-Leuchtstoffen umgehen, andernfalls fallen Lizenzgebühren an.
Entwicklungsperspektive für fluoreszierendes LED-Pflanzenaquarienlicht
Hocheffizientes warmweißes LED-Pflanzenlicht stehen kurz vor dem Start. Da Hersteller versuchen, Verbraucher davon zu überzeugen, dass Festkörperbeleuchtung eine praktische Alternative zu herkömmlicher Beleuchtung ist, Die Wirksamkeit von LEDs wurde erheblich verbessert. Jedoch, Ein weiteres Wachstum der Photonenproduktion und Lichtextraktion ist schwer zu finden, Daher richten LED-Hersteller ihr Augenmerk zunehmend auf andere Aspekte der Chipeigenschaften, um eine bessere Leistung zu erzielen.
Ein Aspekt sind Leuchtstoffe, Insbesondere solche, die verwendet werden, um der Ausgabe von weißem LED-Pflanzenlicht rote Wellenlängen hinzuzufügen, um das Gerät wärmer erscheinen zu lassen. Herkömmliche Lösungen haben den CCT und CRI des Produkts erweitert, um den Verbrauchern gerecht zu werden’ Anforderungen an verschiedene Temperaturoptionen und eine originalgetreue Farbwiedergabe, Aber einige der hart erkämpften Effekte, die sich aus der Einführung anderer Technologien ergeben, werden zunichte gemacht. Es wird erwartet, dass Leuchtstoffe auf Basis von Europium-dotierten Nitriden und Oxynitriden neue Materialien mit gutem CCT und CRI hervorbringen, aber mit einer vergleichbaren Quanteneffizienz (oder besser) zu reinen YAG-Leuchtstoffen, die in modernen, hocheffizienten kaltweißen LED-Pflanzenlichtern verwendet werden. Einige Materialien werden derzeit auf den Markt gebracht, und Ingenieure sollten damit rechnen, dass bald eine neue Generation effizienterer warmweißer LED-Pflanzenbeleuchtung auf den Markt kommt.
