大功率LED在照明方面的應用優(yōu)勢及最佳方案

近年來，隨著半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，大功率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)和應用，各種顏色的超高亮度大功率LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率得到了迅猛提高，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度大功率LED的出現，使大功率LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。大功率LED照明即將引領未來第四代光源的跨越式革命。

一、大功率LED用作燈具光源的性能特點

1、發(fā)光效率高：大功率LED經過近幾十年的發(fā)展，發(fā)光效率得到了較大的提升。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。大功率LED的光效經改良后可達到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。

2、耗電量少，節(jié)能：大功率LED小電流驅動，低電壓工作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的十分之一，熒光燈管的二分之一。

3、使用壽命長：采用大功率LED光源的燈具體積小、重量輕。大功率LED光源環(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。大功率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，避免經常換燈之苦。

4、安全環(huán)保：發(fā)熱量低，無熱輻射性，低電壓工作，冷光源，可用于一些特殊場合；無有害金屬汞，無紅外線和紫外線輻射。

5.體積和功率均小，設計靈活：能根據不同的使用環(huán)境，采用不同數量的大功率LED組合可以設計不同結構形狀的燈具。

6.配光容易：光色柔和，無眩光；不同波長產生不同彩色光，鮮艷飽和，無需濾光鏡，可以在大功率LED封裝時做成色溫不同的顏色，以達到實際需要的照明效果。

目前使用的高壓鈉燈發(fā)光顏色為黃色，色溫及顯像指數都比較低。太陽光顯像指數為100，而高壓鈉燈的顯像指數僅為20左右（黃光）；大功率LED光源照明燈的色溫可以在4000-7000K之間靈活選擇，顯像指數可達80以上，燈具發(fā)光顏色更接近于自然光。

7.前期投資較大：受封裝工藝的限制，大功率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。

二、幾種典型的大功率LED應用方案：

目前，以白光大功率LED做為光源的手電筒和礦燈已得到了廣泛理想的應用且形成規(guī)?；?。眾多的燈具廠家都在發(fā)揮各自的優(yōu)勢采用不同設計方案，以期白光大功率LED光源在隧道燈，路燈等方面有所突破?，F應用較多的有以下三種方案：

1. 多顆小功率支架大功率LED型：燈具設計時，采用多顆支架型小功率Φ5～Φ10白光大功率LED來做光源。目前市場上有1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、地燈等就是采用這種方案。一般使用了幾十到幾百顆Φ5～Φ10白光大功率LED，陣列式排布，電源驅動可以采用電容降壓來實現。設計上無需考慮過多，不存在散熱問題，結構上很容易實現；但生產工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且如果做路燈等大型燈具亮度不夠理想。

2.大功率LED基座型：在一些公共照明方面，如路燈、隧道燈，可以采用幾顆甚至多顆大功率LED基座型作為燈具光源。這種設計思路在進行燈具設計時光學部分設計靈活性較大，但不同的燈具其針對性較強。

大功率LED光源是光強分布近似朗伯源的點光源，如果還是簡單地匯集大功率LED光源來做道路照明，則無法真正利用大功率LED冷光源的優(yōu)勢。必須通過二光學設計才能實現。由于目前大功率LED的發(fā)光角度受限，半光強角度最大的也只能到120度，多顆組合后，雖然照度可以滿足要求，但達不到國家照明標準的均勻性要求。通過理論分析，光分布很難達到均勻。并且大功率LED光源的直向性，即使通過透鏡等光學設計也有一定的困難。

這種燈具設計時，如果不加反光罩，一部分直射光會勢必造成浪費。即使反光罩設計時如何調整角度，經反射后光帶總會存在，這也是目前困擾其應用的主要障礙。

采用這種方案的燈具在電源驅動可以采用開關恒流驅動電路，效率較高，可達80%上。但燈具要有良好的散熱結構，才能保證燈具的使用壽命。

用基座型大功率LED做光源的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果用在路燈上，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經濟性都是值得期待的。

3.單顆或者幾顆多芯片集成型

多芯片集成型白光大功率LED具有獨特的優(yōu)勢：通過不同的串并聯組合，可以實現各種不同的額定電壓和電流，更好地適應驅動器設計，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數可多可少，可以封裝成各種不同的點和面光源。

這種燈具安裝工藝簡單，由于多點發(fā)光，二次光學設計的難度大。由于一般單顆就能作到20W甚至到200W，所以對燈具的散熱要求也比較苛刻。燈具設計時靈活性不大，受芯片局限性大。

由于大功率LED芯片到目前為止還沒有國產化，從國外或臺灣進口，價格很高，而小功率芯片國內貨源充足，組合成同樣的功率，其價格相對較低。所以通過封裝多個小功率芯片組合成集成型白光大功率LED，用做燈具光源具有價格上的優(yōu)勢。

三、結論：

通過對目前幾種大功率LED光源應用的簡單分析，大功率LED光源用做城市道路照明系統(tǒng)作為一個新的技術，在應用上還有許多難題，要使大功率LED照明系統(tǒng)達到道路照明要求，其中最關鍵的是相關的光學系統(tǒng)設計，也就是要在大面積上實現光照的均勻性，來滿足國家標準的要求。

同時使我們認識到要想將大功率LED廣泛的應用到照明領域，除了對燈具的光學及結構進行優(yōu)化設計外，更重要的是將照明燈具設計中面臨的光學及散熱兩大難題需要通過大功率LED研制單位來得以改善，以共同推動我國大功率LED照明產業(yè)的健康平穩(wěn)發(fā)展。