发光二极管LED照明

石鑫华视觉

发光二极管照明

发光二极管照明（英语：LED lamp）是指利用发光二极管作为光源的技术，大致可分为半导体发光二极管及有机发光半导体（OLED）两种主要类别。目前用在照明上的主要是半导体发光二极管，但使用高分子发光二极管（PLED，属OLED的一种）作为照明光源的研究，也正在进行中。

单颗发光二极管的光度比传统灯泡和省电灯泡低很多，所以一个灯泡通常会包含多颗发光二极管。近年，二极管技术提高，高功率、高光度的发光二极管陆续上市，使得这类灯泡渐有取代其他传统光源之势。已有厂商推出单颗设计的照明用高功率LED芯片，只需100瓦的电力，就能发出7,527流明的光度。除了用于专为LED所设计的灯具外，LED也可在加装转换电路与相关的稳定装置后，制成与其他光源兼容的灯泡，安装于传统光源的灯具中。

由于二极管是使用直流电（DC）驱动，所以LED灯泡内通常设有电路，以将日常使用的交流电（AC）转为直流电，以供电给泡内的LED。此外，高温会损坏LED，故LED灯泡一般会配以散热片等散热配件。LED灯泡寿命长、能源效益高，主要缺点在于初期的建置成本比荧光光管等传统照明光源高。

                               
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各种已推出市场LED灯泡，用以取代传统灯泡的螺旋式接口，包括泛光灯（左）、阅读灯（中）、一般家用灯（中偏右和下）和低功率的装饰灯（右）。

技术简介

一般照明会使用白光，由不同波长的光所组成。但LED只能发出波长相距很少的光，故带有颜色。不同的LED，其半导体材料的能隙不同，故发出不同颜色的光。要制造白光LED，有两个方法：将红、绿和蓝三色的LED混合，或者用磷来转变光的颜色。

第一种方法(RGB-LEDs)用多颗LED，每颗发出不同波长的光，LED间波长相距很少，所以形成了一条白光谱。其优点是每颗LED的光度可独立调较，造出不同颜色，但制作成本很高。
第二种方法（荧光粉转换白光发光二极管，phosphor converted LEDs, pcLEDs），利用短波长LED（通常是蓝或紫外光），磷会吸收部分蓝光，发出一个阔光谱的白光。这个原理跟荧光灯利用磷发出白光相似。这个方法成本较低，演色性指数（Color Rendering Index, CRI）高，但不能随意改变其发光特性，而且会减低效能。这种灯具价钱低且表现中等，这种技术今常用于一般照明。
但这种方法会使多余的电压转化为热而流失。将多颗LED串联可以减少电压损失，但一颗LED故障则整串不会发光。几串的LED会并联使用，使其更加可靠。现实中，三串或以上的LED会并联使用。
用于家居和办工场所的照明时，一颗灯内会多颗LED，以解决单颗LED光度不足的问题。如果使用颜色混合的方法，会造成颜色分布不均。因为调较出来的白光LED的颜色平衡并非最佳。而且，不同种类LED的老化速度均会不同，亦会导致不平均的颜色输出。一颗灯泡里通常包括一组LED、驱动的电子电路、一块散热片和光学零件（如玻璃）。

                               
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配以LED灯的轻钢架天花板

驱动电路

LED是一个低电压的半导体产品，过高的电压会导致损坏，不能直接由标准的交流电驱动，需要额外电路来控制电压和电流供应。这个电路包括一连串的二极管和电阻，以控制电压的极性和限制电流。
基本电路

一般照明LED灯，会包含多颗LED，并以以下三种基本接法连接起来。
串联
数颗LED串联起来，只有一个电阻限制电流。一颗LED开路故障时，整个电路就变成断路，整串不能发光；短路故障时，其他LED的电流电压均会增加。

                               
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串联

并联
数颗LED并联起来，每颗LED都需要一个电阻限制电流。每一颗LED均是独立驱动。开路故障时，其他LED能正常发光；短路都障时，整个电路变成短路，不会发光。

                               
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并联

混合
混合了串联和并联的方法，由一个串联电路，包含了数个并联的部分。短路故障时，即使有一颗LED发生故障，其他LED依然会维持发光；开路故障时，除了故障的并联部分外会维持发光。

                               
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混联

虽然上述的电路能在某些LED故障时发光，但由于故障时其他LED，均会超过额定的电流电额，会减低寿命，故最好遇到故障时整个组件换掉。
额定正电压

物理条件：Ta＝25℃ If＝20mA。

• 红色LED：Vf:2.1 - 2.6V
• 绿色LED：Vf:3.3 - 3.9V
• 蓝色LED：Vf:3.2 - 4.0V
• 白色LED：Vf:3.1 - 4.0V
  

省电

LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。
应用

一般和特殊照明均可使用LED灯。传统的颜色光灯通常是在发出白光的灯上，加上滤镜，隔走其他颜色所造成，导致能源效益低下。但LED可以发出单色光，不用滤镜。

与荧光灯相比，LED灯不含汞、即开即亮、常开常关无损寿命，及较难打破，均比萤光灯优胜。

白光LED灯寿命长、相对用电少。LED体积小，设计灯具时不但更有弹性，而且用较小的反射镜和透镜，就能轻而易举地把光分布平均，甚至不会减低能源效益。

LED灯没有玻璃管，内部零件装嵌稳妥，不易受震荡和撞击影响。有些驱动电路的设计，可使LED灯调节光暗，而且所需电流没有下限，也能维持灯的运作，故可调节的范围很大。

颜色混合LED可以利用转变不同颜色的光度比例，故可随意调校出多种颜色，用来制造各种颜色的灯。和其他的照明技术相比，LED的光照射角度一般较小。这种特性有好有坏，视需要而定。当光需要散开时，则需另外加设散光器，或用多颗LED覆盖不同方位
家用LED灯LED灯泡

很多LED灯均可取代螺旋式热炽灯或省电灯泡，由5-40瓦特，低功率的热炽灯，至60瓦特（只需约需7瓦特电力）。截至2010年，有些灯甚至能取代更高功率的灯泡，例如一颗13瓦特的灯泡就与100瓦特热炽灯的光度相约。（一般的热炽灯光效标准，约为14至17流明/瓦特，视乎其大小和电压而定。根据欧盟标准，一颗与60瓦特热炽灯等效的“节能灯泡”，最少要能输出806流明。）
多数的LED灯泡都是设计成不可调暗的，但亦有些能配合调光器操作，而且光照角度较窄。由2010年起，这些灯泡开始由30至50美元的价钱下跌。LED灯泡比省电灯泡更省电，若散热合宜，寿命长达30000小时。热炽灯一般都只有1000小时寿命，省电灯泡亦只有大约8000小时。故LED灯泡能使用大约25至30年，而且光度的随年月衰减很少。能源之星标准订明灯泡使用6000小时后，光度衰减应在10%之内，最差不可超过15%。不像荧光灯，LED灯泡都是无汞的。LED灯泡亦有不同颜色选择。售价虽然较高，但电力和维护费用较低，可亘相抵消。

                               
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LED电筒专用灯泡（左），可取代同款热炽灯（右）

特殊用途

白光LED灯泡具高效能，在低功耗的市场（如手电筒、太阳能花园灯和行人路灯、自行车灯等）有领导地位。单色LED灯常用来造交通灯和节日灯饰。

2010年，LED灯成为了园艺界和农业的热门话题。美国国家航空航天局率先在太空使用LED灯栽种，其后家用和商业的室内园艺也跟随。这些栽种专用灯经特别设计，其光波刚好是叶绿素吸收的波长，促进生长之余，亦减少植物不吸收的光波而造成的浪费。在可见光谱中，光合作用只需红蓝两色，所以这些灯的设计都有这两种颜色。比起同类产品，这些LED灯能提供同样光度、不需镇流器、而且发热比气体放电灯少得多，用于室内栽种十分适合。发热少能减少蒸散作用，从而减少灌概次数。亦因如此，使用这些栽种灯时，植物亦不宜过分灌概。
困难

• 散热需求高
  

在散热不良的情况下，LED的寿命会大幅减少。

• 高起始成本
  

LED价格高，虽然说长期成本可能较低，但是较高的起始成本降低了LED的普及率。

• 演色性有待加强
  

荧光灯无法完全取代白炽灯的重要原因就是因为荧光灯演色性不佳（白炽灯是连续而且平滑的光谱，演色性指数（Color Rendering Index, CRI）接近100，这样的光线也有较健康护眼的特色；其他人工光源多属发射光谱，很难取代白炽灯及阳光）。目前中低阶LED的演色性甚至还低于荧光灯。

• 效率仍待加强
  

LED在低光度下效率极佳，但是当功率提高，效率就没那么好，尤其是中低阶的大功率LED照明，效率还是比不上T5光管。

• 生产误差大
  

同一批生产的LED，每颗LED之间的特性（亮度、颜色、偏压…等）也有相当大的差异，必须花费相当成本分出各种LED。