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”是國外照明領(lǐng)域在上世紀(jì) 80 年代末提出的新概念，我國“綠色照明工程”的實施始于 1996 年。實現(xiàn)這一計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，建立一個優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟舒適、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，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。

(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 年藍色、綠色 LED 才研制成功。 1996 年由日本 Nichia 公司(日亞)成功開發(fā)出白色 LED 。

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

近幾年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入， LED 制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度 LED 取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近 1000 倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，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成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度 LED 將是人類繼愛迪生發(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)，目前國際上出現(xiàn)大晶片 LED ，晶片面積達 40mil 。

其發(fā)光過程包括三部分：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)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時，帶負電的電子移動到帶正電的空穴區(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。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍色光、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，即以藍光單晶片加上 YAG 黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光 LED ，即以無機紫外光晶片加紅、藍、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。

(三) LED 光源的基本特征

1、發(fā)光效率高

LED 經(jīng)過幾十年的技術(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)改良后將達到達 50 ～ 200 流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前，世界各國均加緊提高 LED 光效方面的研究，在不遠的將來其發(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，單管驅(qū)動電壓 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，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

采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用 LED 燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達 10 萬小時。 LED 燈具使用壽命可達 5 ～ 10 年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經(jīng)常換燈之苦。

4、安全可靠性強

發(fā)熱量低，無熱輻射，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)光強度，調(diào)整發(fā)光方式，實現(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，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護。

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

長期以來，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)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，二十一世紀(jì)將進入以 LED 為代表的新型照明光源時代，被稱為第四代新光源。

(一)前景及發(fā)展趨勢

目前，照明消耗約占整個電力消耗的 20% ，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實現(xiàn)這一目標(biāo)業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠遠不夠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。 LED 以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對 LED 照明效益進行了預(yù)測，美國 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，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)計劃”，針對新世紀(jì)照明用 LED 光源進行實用性研究。近年來，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行 LED 照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國 GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光 LED ，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā) LED 照明系統(tǒng)。臺灣目前的 LED 產(chǎn)量僅次于日本列在美國之前，從 1998 年開始投入 6 億臺幣進行相關(guān)開發(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 在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來 10 年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、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)問題

近年來， LED 的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達到白熾燈的水平，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)步增長中。但是，在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題：

一是光通量有待進一步提高。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。白熾燈具有非常強的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺。而白光 LED 發(fā)出的白光帶有藍色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。

三是價格較高。這是影響 LED 照明普及的主要原因。但是，近年來出于晶片技術(shù)的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來 LED 的價格下降了近 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，較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。

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、安全可靠性強，有利于環(huán)保等特性，近幾年來在城市燈光環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。目前已應(yīng)用于數(shù)碼幻彩、護欄照明、廣場照明、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。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、湖南常德市丹陽天橋、南通市通訊塔燈光工程等。

隨著全國城市化的進一步發(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)和維護中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源，還需進一步的研究和探討，認(rèn)真解決 LED 光源在照明應(yīng)用中存在的技術(shù)問題，還需 LED 光源生產(chǎn)廠家結(jié)合路燈行業(yè)的實際情況，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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