Het grootste deel van de huidige verlichtingsstandaard “wit” LED -plantenaquariumlichten gebruiken Ingan Semiconductors om licht uit te stoten in het blauwe deel van het spectrum, gecombineerd met yttrium aluminium granaat (YAG) fosforen (gedoteerd met cerium). De blauwe fotonen van de meeste LED's worden geabsorbeerd door de fosfor en opnieuw uitgezonden in het gele deel van het spectrum. Het mengsel van de resterende blauwe fotonen en gele verlichting zorgt voor een goede benadering van wit licht voor het oog.
Deze combinatie van LED en fosfor is een bewezen technologie met goede prestaties, maar niet perfect. Een voor de hand liggend nadeel van deze led is het ontbreken van roodgerelateerde kleurlichtcomponenten. De kleurtemperatuur (CCT) van het door deze led uitgezonden licht is relatief slecht en de kleurweergave-index (Cri) is relatief laag. Het combineren van YAG-fosforen met andere materialen zal de rode luminescentie verhogen, leidend tot de beschikbaarheid van “warm” wit led plantenlicht, maar ten koste van de zwaarbevochten werkzaamheid.
In dit artikel wordt besproken hoe u fosfor kunt laten werken voor LED-plantenaquariumverlichting om de uitdagingen het hoofd te bieden, en bekijkt vervolgens hoe het fosforonderzoek invloed heeft op de efficiëntie van solid-state verlichting, CCT en CRI.
Wat is YAG-fosfor
YAG is een professioneel chemisch materiaal met een hoog fosforgehalte en kan de helderheid van LED verhogen. Het materiaal bevat het zeldzame aardelement cerium (wetenschappelijk gelabeld Y3Al5O12: Ce3 +). Het werd voor het eerst gesynthetiseerd in 1967. De synthesemethode werd verkregen door het proces van CRT-fosformateriaal te verbeteren.
Werkingsprincipe van YAG-fosfor
Het specifieke principe is dat de blauwe fotonen die door de blauwe LED worden uitgezonden, worden geabsorbeerd door de buitenste elektronen van de samenstellende moleculen of atomen in de YAG-fosfor.. De elektronen die de fotonenergie absorberen bevatten hogere energie en zijn sneller, en zal overgaan naar de hogere energieregio. Dit proces wordt genoemd elektronen transitie. De energie zal vrijkomen tijdens de elektronentransitie naar een nieuwe stabiele toestand, Fotonen met langere golflengten dan geabsorbeerde fotonen (licht rood, wat groen en een groot aantal geel), andere delen van de energie zullen als warmte-energie worden uitgestraald, en de elektronen zullen veranderen van een actieve toestand naar een stabiele toestand.
Witlichtgeneratieprincipe van led-plantenaquariumlicht
De belangrijkste gele luminescentie van YAG-fosfor en de blauwe straling rechtstreeks van het led-plantenlicht worden gecombineerd via de YAG:Ce-coating “lekkage”, wat een goede benadering kan zijn van wit licht, die blauw licht omzet in “wit licht” door de absorptie en heruitzending van de fosfor. Het fenomeen wordt de Stokes-verschuiving genoemd, vernoemd naar de Ierse natuurkundige George G. Stokes, die dit effect beschreef in een artikel in 1852. Figuur hierboven laat zien hoe de Stokes-verschuiving plaatsvindt via de absorptie- en emissiecurven van YAG-fosforen.
Voordelen van YAG-fosfor
Figuur hierboven toont de relatieve spectrale emissiecurve van modern wit led-plantenlicht met behulp van YAG-fosforen (in dit geval, OSRAM OSLON SSL 150 LED produceert 136 lm (voorwaartse stroom 350 mA, voorwaartse spanning 3.1 V), met een rendement van 125 lm /W. De stippellijn is een functie van de gevoeligheid van het oog, geeft aan hoe het oog reageert op licht van verschillende golflengten. Hoewel de eerste piek (overeenkomend met het blauwe foton rechtstreeks van de LED) is groter, het is minder duidelijk omdat het oog gevoelig is voor licht. Ongevoelig In tegenstelling, de door de fosfor uitgezonden fotonen zijn gecentreerd 560 nm-het punt waar het oog het beste licht waarneemt.
Omdat het een bewezen technologie is die acceptabele resultaten oplevert, de kenmerken van YAG vormen de maatstaf voor andere LED-fosforen. YAG-fosfor kan niet alleen blauwe fotonen efficiënt absorberen, maar laat ook snel energie vrij. Nadat de atomaire elektronen van YAG-fosfor de energie van blauwe fotonen absorberen, ze zullen snel gele fotonen en energie vrijgeven, waardoor het fenomeen van verzadigingsdoving effectief wordt verminderd. Dit is een proces waarbij meestal de uitgezonden fotonen aanwezig zijn “ondergedompeld” en voorkomen dat de hoge fotonenflux in de fosformatrix ontsnapt.
YAG-fosforen hebben veel voordelen voor andere LED-toepassingen.Allereerst, YAG-fosfor heeft een hoge fotonenconversie. Onder de bestraling van blauw licht, YAG-fosfor kan converteren 80% van de geabsorbeerde blauwe energie in licht met een langere golflengte. Ten tweede, YAG-fosfor heeft een goede stabiliteit, zelfs als het lange tijd door blauwe LED wordt opgewonden of langdurig aan de lucht wordt blootgesteld, het zal zelden verslechteren. Eindelijk, de synthese van YAG-fosforen is relatief eenvoudig en de kosten zijn relatief laag. De meeste gebruikte materialen zijn materialen die worden gebruikt om traditionele fosfor-CRT te synthetiseren, inclusief hoogzuivere chemische grondstoffen Y2O3, Al2O3, CeO2, enz.
Nadelen van YAG-fosfor
Ondanks de bewezen prestaties van LED's, YAG-fosforen zijn niet perfect. Er zijn twee praktische problemen “temperatuur afschrikken” en relatief lage chemische stabiliteit. De reden voor het blussen van de temperatuur is moeilijk te begrijpen, maar dan in lekentermen, verhoogde temperatuur zal ervoor zorgen dat elektronen gewoonlijk blauwe fotonen absorberen (en dan geel uitzenden) “ontbreekt” (met andere woorden, atomen zijn geïoniseerd). YAG-fosfor zal worden beïnvloed door temperatuuruitdoving bij ongeveer 200°C, en de LED zal tijdens normaal gebruik geen abnormaal hoge temperatuur ervaren. In aanvulling, de lage chemische stabiliteit van het materiaal beperkt de levensduur van de LED (gedefinieerd als het punt waarop de helderheid van het apparaat afneemt), waardoor de opbrengst met 70% als het nieuw is. De fabrikant weerlegt dit argument door erop te wijzen dat moderne witte led-installatielampen kunnen werken 30,000 uur of meer, maar de onderzoekers zeggen dat dit wordt gemeten onder “ideaal” bedrijfsomstandigheden, en chemische instabiliteit kunnen van invloed zijn op zware omstandigheden. De prestaties van de gebruikte apparatuur.
Echter, misschien wel de grootste uitdaging waarmee YAG-fosforen worden geconfronteerd, is de esthetische uitdaging. Fabrikanten van solid-state verlichting willen graag dat consumenten deze technologie accepteren, maar een veelgehoorde klacht is dat de “oogverblindend” licht geproduceerd door wit led-plantenlicht heeft bijna geen “warmte” gebracht door traditionele gloeilampen. Dit gevoel komt door het feit dat de YAG-fosfor produceert “blauw” wit licht met weinig rood lichtgehalte. Het resultaat is licht met een hoge CCT (5000 tot 8300K). Het ontbreken van een significante rode golflengte introduceert een ander probleem voor YAG-fosforapparaten: slechte CRI. CRI is een maatstaf voor de mate waarin een verlichtende lichtbron de kleur van een object reproduceert in vergelijking met zonlicht (CRI is 100). Ondanks de duidelijke tekortkomingen, de CRI van een gloeilamp is ongeveer 95. Daarentegen, koud wit led-plantenlicht heeft meestal een CRI van 70 naar 80.
Generatie van rood licht in LED-plantenaquariumlicht
LED-fabrikanten hebben de uitdagingen van CCT en CRI tot op zekere hoogte opgelost, het mengen van YAG-fosfor met een andere fosfor waaraan een rode golflengte is toegevoegd om CCT uit te breiden naar warmere gebieden en de CRI te verbeteren. Het vervangen van UV-LED's door blauwe LED's kan CCT en CRI verder verbeteren. LED-fabrikanten bieden commerciële UV-producten voor dit doel. Bijvoorbeeld, Philips Lumileds biedt een ultraviolette versie van zijn Luxeon LED. Het apparaat zendt een golflengte uit tussen 395 En 400 nm, en de minimale stralingsintensiteit bij 500 mA is 525 mW/sr. (Vanwege het onvermogen van het oog om ultraviolet licht te zien, de stralingsintensiteit (watt/steradiaal) van UV-LED's wordt geëvalueerd in plaats van de meer bekende efficiëntie (lm/W) gegevens geciteerd door witte LED's.)
Het grootste nadeel van toevoegen “rood” fosforen is de verminderde LED-efficiëntie. Om de zaken nog erger te maken, de temperatuuruitdovingsdrempel van de rode fosfor is zelfs lager dan die van de YAG-fosfor, waardoor de efficiëntie van de typische LED-bedrijfstemperatuur verder wordt verlaagd.
MOKOLight witte led plantenaquariumlamp heeft een werkspanning van 350 mA en 2.85 V, maar het koele wit (5000 K) versie heeft een helderheid van 135 lm en een werkzaamheid van 135 lm/W, terwijl de helderheid van het warme wit (2700 K) is respectievelijk Het is 97 Ik en 97 lm/W. Vergeleken met coole witte apparaten, warmwitte producten van andere fabrikanten vertonen een vergelijkbaar laag rendement. Figuur hierboven toont het verschil tussen de CCT en CRI van blauwe LED en YAG-fosfor, en het mengsel van UV-LED en YAG-fosfor en rode fosfor.
Inspanningen om de fosforefficiëntie te verbeteren
In de afgelopen vijftien jaar, Het streven naar LED-efficiëntie is een belangrijke drijvende factor geweest bij de ontwikkeling van solid-state verlichtingscomponenten voor grote fabrikanten. Er is aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de initiële generatie van fotonen en de extractie van fotonen uit de mal. Het laatste wat fabrikanten willen is de relatief lage conversie-efficiëntie van rode fosforen, wat de helderheid van hun warmwitte LED's beïnvloedt.
Fabrikanten investeren meer tijd en ervaring in het onderzoek naar nieuwe fosformaterialen, in de hoop fosforen te verkrijgen met een hogere optische conversie, en fosforen kunnen meer gekleurd licht uitstralen en een betere kleurweergave hebben. De meest veelbelovende kandidaatproducten zijn nitriden en oxynitridematerialen, die een ander zeldzaam element metaal europium gebruiken (Eu) om de elektroluminescentie-eigenschappen van cerium te vervangen. Veel van deze nieuwe fosforen kunnen worden geëxciteerd met paarse of blauwe LED's en passen bij de kamer met de kwantumefficiëntie bij hoge temperaturen van YAG: Ce fosforen. In aanvulling, de nitridefosfor zal niet worden afgebroken onder omstandigheden van hoge temperatuur/hoge vochtigheid, dus geschikt voor LED-verlichting in ruwe omgevingen.
Een reeks uiterst efficiënte stikstofoxidefosforen is MSi2O2N2: Eu 2 + (waarbij M = Ca 2 +, sr 2 +, Ba 2 +) samenstelling, met een emissiebereik van 575 naar 675 nm, bij temperaturen hoger dan 200°C , De kwantumefficiëntie is groter dan 85% (Figuur hierboven). De gele, oranje en rode EU 2 + het door deze nitridefosfor getransformeerde kleurlicht wordt gecombineerd met het groene licht dat door YAG wordt gegenereerd. Het gesynthetiseerde witte licht heeft een betere kleurtemperatuur en een hogere kleurweergave dan het eerder gesynthetiseerde witte licht. Op dit moment, het warmwitte licht op de markt bestaat in principe uit het fosforescerende mengsel van caalsin3: EU 2 + en YAG: CE gecombineerd met blauwe LED.
Een nadeel is dat deze nieuwe materialen weliswaar een groot potentieel hebben, het synthetiseren ervan is veel moeilijker dan traditionele fosforen. Echter, dit heeft sommige ondernemende fabrikanten er niet van weerhouden nitridefosforen op de markt te brengen. Intematix heeft rode nitridematerialen toegevoegd aan zijn fosforproductlijn in 2011. De fosforen van het bedrijf worden gebruikt in hoogefficiënte warmwitte LED's voor algemene verlichting, klanten extra prikkels bieden om hen te beschermen tegen bepaalde kwesties op het gebied van octrooilicenties.
Het bedrijf beweert dat de nieuwe fosfor de verlichtingsmarkt in staat zal stellen warmwitte toepassingen te creëren met een hogere efficiëntie en een hogere CRI (tot aan 98) dan traditionele YAG-fosforoplossingen. Er wordt gezegd dat het gebruik van dit nieuwe type fosfor klanten daartoe in staat stelt (legaal) bepaalde patenten met betrekking tot de toepassing van YAG-fosforen te omzeilen, anders zullen er licentiekosten in rekening worden gebracht.
Ontwikkelingsperspectief van fluorescerend led-plantenaquariumlicht
Hoog rendement warmwit led-plantenlicht staan op het punt gelanceerd te worden. Terwijl fabrikanten consumenten ervan proberen te overtuigen dat solid-state verlichting een praktisch alternatief is voor traditionele verlichting, de efficiëntie van LED's is sterk verbeterd. Echter, verdere groei in fotonenproductie en lichtextractie is moeilijk te vinden, daarom richten LED-fabrikanten hun aandacht steeds meer op andere aspecten van de chipkarakteristieken voor betere prestaties.
Eén aspect zijn fosforen, vooral die gebruikt om rode golflengten toe te voegen aan de output van wit led-plantenlicht om het apparaat warmer te laten lijken. Traditionele oplossingen hebben de CCT en CRI van het product uitgebreid om tegemoet te komen aan de consumenten’ behoeften aan verschillende temperatuuropties en getrouwe kleurreproductie, maar een aantal van de zwaarbevochten effecten van de introductie van andere technologieën teniet doen. Fosforen op basis van met europium gedoteerde nitriden en oxynitriden zullen naar verwachting nieuwe materialen opleveren met goede CCT- en CRI-waarden., maar met een vergelijkbare kwantumefficiëntie (of beter) tot pure YAG-fosforen die worden gebruikt in moderne, hoogefficiënte, koudwitte led-plantenverlichting. Sommige materialen worden nu op de markt geïntroduceerd, en ingenieurs mogen verwachten dat er binnenkort een nieuwe generatie efficiënter, warmwit led-installatielicht op de markt komt.
