LED光源照明技术及在灯光环境中的应用

    一、 LED 照明概念

    LED ( Lighy EMItting Diode )，又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。

    (一) LED 的发展历史

    应用半导体 P · N 结发光源原理制成 LED 问世于 20 世纪 60 年代初， 1964 年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色 LED 。直到 1994 年蓝色、绿色 LED 才研制成功。 1996 年由日本 NIChia 公司(日亚)成功开发出白色 LED 。

    LED 以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。

    近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入， LED 制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用，各种颜色的超高亮度 LED 取得了突破性进展，其发光效率提高了近 1000 倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中 重要的是超高亮度白光 LED 的出现，使 LED 应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后， 伟大的发明之一。

    (二) LED 发光原理

    发光二极管主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。其发光体——晶片的面积为 10.12mil ( 1mil=0.0254 平方毫米)，目前国际上出现大晶片 LED ，晶片面积达 40mil 。

    其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量 多，桔色光、红色光携带的能量 少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

    LED 照明光源的主流将是高亮度的白光 LED 。目前，已商品化的白光 LED 多是二波长，即以蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光 LED ，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及 LED 背光源等市场。

    (三) LED 光源的基本特征

    1、发光效率高

    LED 经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为 12-24 流明/瓦，荧光灯 50 ～ 70 流明/瓦，钠灯 90 ～ 140 流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。 LED 光效经改良后将达到达 50 ～ 200 流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

    2、耗电量少

    LED 单管功率 0.03 ～ 0.06 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.5 ～ 3.5 伏，电流 15 ～ 18 毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的 LED 替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于 60 亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯 40 多瓦，而采用 LED 每支的功率只有 8 瓦，而且可以七彩变化。

    3、使用寿命长

    采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用 LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达 10 万小时。 LED 灯具使用寿命可达 5 ～ 10 年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

    4、安全可靠性强

    发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

    5、有利于环保

    LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

    当然，节能是我们考虑使用 LED 光源的 主要原因，也许 LED 光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得 4 ～ 9 年中每年几倍的节能净收益期。

    二、 LED 照明光源技术的应用前景及趋势

    长期以来，由于 LED 光效低的原因，其应用主要集中在各种显示领域。随着超高亮度 LED (特别是白光 LED )的出现，在照明领域的应用成为可能。据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以 LED 为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。

    (一)前景及发展趋势

    目前，照明消耗约占整个电力消耗的 20% ，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。 LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对 LED 照明效益进行了预测，美国 55% 白炽灯及 55% 的日光灯被 LED 取代，每年节省 350 亿美元电费，每年减少 7.55 亿吨二氧化碳排放量。日本 白炽灯换成 LED ，可减少 1 ～ 2 座核电厂发电量，每年节省 10 亿公升以上的原油消耗。台湾地区 25% 白炽灯及 的日光灯被白光 LED 取代，每年节省 110 亿度电。日本早在 1998 年就编制“ 21 世纪计划”，针对新世纪照明用 LED 光源进行实用性研究。近年来，日本日亚化工、丰田合成、 SONY 、佳友电工等都已有 LED 照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、 GE 等也投入大量的人力物力进行 LED 照明产品的研究开发和生产。美国 GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司，专门开发白光 LED ，以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发 LED 照明系统。台湾目前的 LED 产量仅次于日本列在美国之前，从 1998 年开始投入 6 亿台币进行相关开发工作。

    LED 发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着 LED 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高， LED 的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下， LED 在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来 10 年成为 被看好的市场以及 大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的 大潜力商品。

    (二)照明应用中存在的主要技术问题

    近年来， LED 的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯采用的白色 LED 发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题：

    一是光通量有待进一步提高。采用 LED 作为照明光源，必须可以发出更多的光，必须具有更高的能量效率。

    二是 LED 发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光 LED 发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。

    三是价格较高。这是影响 LED 照明普及的主要原因。但是，近年来出于晶片技术的改良，制造成本正在急剧下降，近三年来 LED 的价格下降了近 50% ，其正朝着高效率、低成本的方向发展，这为 LED 在照明领域的应用提供了有利条件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。

    三、 LED 照明技术在灯光环境中的应用

    由于 LED 光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强，有利于环保等特性，近几年来在城市灯光环境中得到了广泛的应用。目前已应用于数码幻彩、护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。许多城市利用 LED 光源照明技术应用于城市灯光环境建设中，产生了良好的效果，积累了丰富的的经验。如广州电力大厦、广州鹤洞大桥、广州工商行大厦、珠海迎宾南路灯光工程、东莞中心城区灯光工程、郑州河南医科大立交桥、上海延安路灯光工程、湖南常德市丹阳天桥、南通市通讯塔灯光工程等。

    随着全国城市化的进一步发展，灯光环境(包括路灯、景观灯、艺术灯等)建设领域将不断扩大， LED 光源的应用也将不断发展。 LED 作为第四代新光源，在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用，但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源，还需进一步的研究和探讨，认真解决 LED 光源在照明应用中存在的技术问题，还需 LED 光源生产厂家结合路灯行业的实际情况，生产符合路灯建设和维修所需的新产品，使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用。

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