LED光源照明技术及在灯光环境中的应用

光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪 80 年代末提出的新概念，我国“绿色照明工程”的实施始于 1996 年。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。  

一、 LED 照明概念

LED ( Lighy tting Diode )，又称，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向，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，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 Nhia 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，其中最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，最伟大的发明之一。

(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、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。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， 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 光源的最主要原因，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**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 100% 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。**地区 25% 白炽灯及 100% 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 ORE 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。**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 年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

(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。