LED光源照明技術(shù)及在燈光環(huán)境中的應(yīng)用

LED 光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物。“綠色照明”是國(guó)外照明領(lǐng)域在上世紀(jì) 80 年代末提出的新概念，我國(guó)“綠色照明工程”的實(shí)施始于 1996 年。實(shí)現(xiàn)這一計(jì)劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。

一、 LED 照明概念

LED ( Lighy Emitting Diode )，又稱(chēng)發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見(jiàn)光。

(一) LED 的發(fā)展歷史

應(yīng)用半導(dǎo)體 P · N 結(jié)發(fā)光源原理制成 LED 問(wèn)世于 20 世紀(jì) 60 年代初， 1964 年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后出現(xiàn)黃色 LED 。直到 1994 年藍(lán)色、綠色 LED 才研制成功。 1996 年由日本 Nichia 公司(日亞)成功開(kāi)發(fā)出白色 LED 。

LED 以其固有的特點(diǎn)，如省電、壽命長(zhǎng)、耐震動(dòng)，響應(yīng)速度快、冷光源等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號(hào)燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見(jiàn)，家用電器、電話機(jī)、儀表板照明、汽車(chē)防霧燈、交通信號(hào)燈等。但由于其亮度差、價(jià)格昂貴等條件的限制，無(wú)法作為通用光源推廣應(yīng)用。

近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入， LED 制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度 LED 取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近 1000 倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光 LED 的出現(xiàn)，使 LED 應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度 LED 將是人類(lèi)繼愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。

(二) LED 發(fā)光原理

發(fā)光二極管主要由 PN 結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體——晶片的面積為 10.12mil ( 1mil=0.0254 平方毫米)，目前國(guó)際上出現(xiàn)大晶片 LED ，晶片面積達(dá) 40mil 。

其發(fā)光過(guò)程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹(shù)脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過(guò)來(lái)與光的顏色對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

LED 照明光源的主流將是高亮度的白光 LED 。目前，已商品化的白光 LED 多是二波長(zhǎng)，即以藍(lán)光單晶片加上 YAG 黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來(lái)較被看好的是三波長(zhǎng)白光 LED ，即以無(wú)機(jī)紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及 LED 背光源等市場(chǎng)。

(三) LED 光源的基本特征

1、發(fā)光效率高

LED 經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為 12-24 流明/瓦，熒光燈 50 ～ 70 流明/瓦，鈉燈 90 ～ 140 流明/瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。 LED 光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá) 50 ～ 200 流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。目前，世界各國(guó)均加緊提高 LED 光效方面的研究，在不遠(yuǎn)的將來(lái)其發(fā)光效率將有更大的提高。

2、耗電量少

LED 單管功率 0.03 ～ 0.06 瓦，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓 1.5 ～ 3.5 伏，電流 15 ～ 18 毫安，反應(yīng)速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計(jì)，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的 LED 替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當(dāng)于 60 億升原油。就橋梁護(hù)欄燈例，同樣效果的一支日光燈 40 多瓦，而采用 LED 每支的功率只有 8 瓦，而且可以七彩變化。

3、使用壽命長(zhǎng)

采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用 LED 燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá) 10 萬(wàn)小時(shí)。 LED 燈具使用壽命可達(dá) 5 ～ 10 年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈之苦。

4、安全可靠性強(qiáng)

發(fā)熱量低，無(wú)熱輻射，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無(wú)眩光;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式，實(shí)現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。

5、有利于環(huán)保

LED 為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒(méi)有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開(kāi)發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。

當(dāng)然，節(jié)能是我們考慮使用 LED 光源的最主要原因，也許 LED 光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得 4 ～ 9 年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。

二、 LED 照明光源技術(shù)的應(yīng)用前景及趨勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于 LED 光效低的原因，其應(yīng)用主要集中在各種顯示領(lǐng)域。隨著超高亮度 LED (特別是白光 LED )的出現(xiàn)，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以 LED 為代表的新型照明光源時(shí)代，被稱(chēng)為第四代新光源。

(一)前景及發(fā)展趨勢(shì)

目前，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的 20% ，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)業(yè)界已研究開(kāi)發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達(dá)到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢(shì)在必行。 LED 以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國(guó)、日本等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)對(duì) LED 照明效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)，美國(guó) 55% 白熾燈及 55% 的日光燈被 LED 取代，每年節(jié)省 350 億美元電費(fèi)，每年減少 7.55 億噸二氧化碳排放量。日本 100% 白熾燈換成 LED ，可減少 1 ～ 2 座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省 10 億公升以上的原油消耗。臺(tái)灣地區(qū) 25% 白熾燈及 100% 的日光燈被白光 LED 取代，每年節(jié)省 110 億度電。日本早在 1998 年就編制“ 21 世紀(jì)計(jì)劃”，針對(duì)新世紀(jì)照明用 LED 光源進(jìn)行實(shí)用性研究。近年來(lái)，日本日亞化工、豐田合成、 SONY 、佳友電工等都已有 LED 照明產(chǎn)品問(wèn)世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、 GE 等也投入大量的人力物力進(jìn)行 LED 照明產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。美國(guó) GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)白光 LED ，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車(chē)燈。德國(guó)歐司朗公司與西門(mén)子公司合作開(kāi)發(fā) LED 照明系統(tǒng)。臺(tái)灣目前的 LED 產(chǎn)量?jī)H次于日本列在美國(guó)之前，從 1998 年開(kāi)始投入 6 億臺(tái)幣進(jìn)行相關(guān)開(kāi)發(fā)工作。

LED 發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著 LED 技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高， LED 的應(yīng)用市場(chǎng)將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下， LED 在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來(lái) 10 年成為最被看好的市場(chǎng)以及最大的市場(chǎng)將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。

(二)照明應(yīng)用中存在的主要技術(shù)問(wèn)題

近年來(lái)， LED 的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達(dá)到白熾燈的水平，景觀燈采用的白色 LED 發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長(zhǎng)中。但是，在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問(wèn)題：

一是光通量有待進(jìn)一步提高。采用 LED 作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量效率。

二是 LED 發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強(qiáng)的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺(jué)。而白光 LED 發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺(jué)不很自然。

三是價(jià)格較高。這是影響 LED 照明普及的主要原因。但是，近年來(lái)出于晶片技術(shù)的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來(lái) LED 的價(jià)格下降了近 50% ，其正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，這為 LED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利條件。此外，較好的性?xún)r(jià)比也可以彌補(bǔ)成本價(jià)格方面的不足。

三、 LED 照明技術(shù)在燈光環(huán)境中的應(yīng)用

由于 LED 光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)，有利于環(huán)保等特性，近幾年來(lái)在城市燈光環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于數(shù)碼幻彩、護(hù)欄照明、廣場(chǎng)照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。許多城市利用 LED 光源照明技術(shù)應(yīng)用于城市燈光環(huán)境建設(shè)中，產(chǎn)生了良好的效果，積累了豐富的的經(jīng)驗(yàn)。如廣州電力大廈、廣州鶴洞大橋、廣州工商行大廈、珠海迎賓南路燈光工程、東莞中心城區(qū)燈光工程、鄭州河南醫(yī)科大立交橋、上海延安路燈光工程、湖南常德市丹陽(yáng)天橋、南通市通訊塔燈光工程等。

隨著全國(guó)城市化的進(jìn)一步發(fā)展，燈光環(huán)境(包括路燈、景觀燈、藝術(shù)燈等)建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大， LED 光源的應(yīng)用也將不斷發(fā)展。 LED 作為第四代新光源，在城市景觀燈建設(shè)領(lǐng)域中已得到了有效的應(yīng)用，但要在路燈建設(shè)和維護(hù)中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源，還需進(jìn)一步的研究和探討，認(rèn)真解決 LED 光源在照明應(yīng)用中存在的技術(shù)問(wèn)題，還需 LED 光源生產(chǎn)廠家結(jié)合路燈行業(yè)的實(shí)際情況，生產(chǎn)符合路燈建設(shè)和維修所需的新產(chǎn)品，使第四代新光源在城市照明建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。

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