LED灯

1、LED灯发展概述

LED的开发迄今已有近30年历史，取得长足进展，几十余年磨练，发展迅速。在能源短缺、污染严重的时代LED应运而生、倍受重视。

全世界对LED特别是白光LED如此的重视有其内在原因：

一是当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨、特别所造成环境已使得能源节约成为一项十分迫切的任务，况且我国以及发达国家照明用电约占发电总量的12～13%，这是一项十分可观的降低能源损耗部分。

二是LED在十分理想情况下发555nm黄光的{zg}可能达到约300lm/W的{zg}光效, 而目前所报导的LED的{zg}光效不过150lm/W实际只达到这一理想值的一半，而实际上还不足其1/4，这也正是人们论为LED尚有巨大潜力可挖、对之寄以厚望的原因之一。

　　  毋庸置疑LED在显示领域已取得了一定成功。在装饰照明方面也充分显示其特色、取得半壁江山，2008奥运会开幕式上LED的出色表现更震撼世界。但是不能不正视的事实是在功能照明方面白光LED仍然存在较大的技术水平和实际性能的局限性，用在路灯的LED投资成本非常高昂，而且寿命、光衰度等都不尽如人意，所以目前情况将此种器件用于能照明并非用其所长的。所谓，目前市场上能找到相对成熟一点{zd0}功率器件也不过3W，即使是研发中的10W器件能大规模生产，但对于常规照明特别是道路照明中使用的数百瓦的光源而言其单粒功率失之过小。采用白光LED设计一项照明工程其用量必定很大，无论是设计难度或是成本都将是得不偿失的。

目前，中国在LED光效和寿命指标方面存在较大的意见分歧，其中一个重要原因是没有统一的标准和测试方法，例如照明行业向来以稳定运转时的光通量输出和光效作为其产品参数指标，而LED从业者则普遍以初始(冷态)的{zd0}光通和光效为标准，在显色指数的测量方法和标准上亦存在不少差异，寿命标准和测量方法也是不同的，相关数据相差甚远，评价也大相径庭。

　 　这一问题不仅在中国，国外也同样严重，美国能源部对商用有效性的评估(CALiPER)从2006年12月到2008年9月共进行了7轮市场产品调查，仅在2008年就连续分别在1月、5月和9月进行了三次抽查，并于9月份公布了“商用LED产品有效性的评估和报告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation & Reporting)，公布的数据和结论是负面的，在所检测的24类产品中只有二类(下射筒灯)数据与产品说明书吻合，除少数LED光效达62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，远远不能达到能源之星的标准。对于宣传上的混乱和数据的夸大作了十分严厉而否定的结论，其中包括光效、色温、颜色质量、光分布以及照明系统的功率因数。特别是光效，他们发现宣传上往往夸大2～3倍以上，而一般用户对此并不了解，在我国上述问题更为突出而重要。因此必须建立统一的标准来规范产品质量和指标。

2、LED灯工作原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

3、LED路灯优缺点

Ⅰ 、LED的光效

　　根据实验测试分析算出LED总的电光转换效率约为54%，这是非常理想的情况下的结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比，甚至与当前转换效率{zg}的高压钠灯、陶瓷金卤灯相比(电光转换效率约为30%)也是非常高的，这正是LED有十分诱人前景的原因所在。

目前行业对LED的普遍的评价是高光效和长寿命，很多厂家宣称其产品光效高达90lm/W或更高，但这些数据只是某些实验室在测试初始阶段当LED仍处于冷态时测得的{zg}数据。所谓50000h～100000h寿命只是早期对小功率单色LED的估算结果.

白光LED运转时最多20%的能量以光子形式辐射，其余80%的能量均转化为热能使芯片和荧光粉涂层加热。对于小功率LED， 80%的输入功率的加热作用不会使芯片温度上升太多，LED的光效、寿命和运转状态影响不大。而对于大功率白光LED，其功耗的80%以上集中发生在非常小的p-n结区，必将使芯片和荧光粉涂层大幅升温，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，这不仅影响光效，而且会造成快速光衰并使寿命缩短。这是一大弊端是使设计不良的LED照明工程在运转3～4个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。

Ⅱ 、LED道路照明

　 　由于对白光LED的巨大投资和过分的宣传，至使这一领域的部分人员对白光LED寄以过高期望，急于将白光LED推向常规功能照明，很多这一领域的人员并将之直接推广到道路照明方面，数年来全国完成的LED道路照明和LED光伏道路照明样板工程不下数十处已经取得了足够多的经验和教训总结。显示采用LED作光源的道路照明工程试验应当暂时放缓，待条件成熟后再重新启动。

　　对于我国以及发达国家的道路照明的主要光源仍然是高压钠灯、少数用金属卤化物灯，前者光效为100～120lm/W，但显色指数仅为20或更低，后者的光效80～100lm/W，显色指数80左右，考虑到电器配件的能耗，采用此类光源实际的系统光效在75lm/W～90lm/W之间。由于道路照明所用灯具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此类灯具时有约40%光直射地面，其余60%的光则需经灯具反射后射向地面。粗略估算去除各种损耗后常规道路照明的总光利用率不超过76%，由此得出最终的光效约为60lm/W～70lm/W。此外由于灯具设计的不合理以及高压钠灯特殊的细长柱状发光体而造成光分布不均匀，为使道路中线和二灯之间的暗区达到照明标准，设计时都会大高出设计标准，并采用更大功率、更高光通量的光源以满足暗区的照度要求，从而更造成了电能的浪费。

　　基于上述情况LED道路照明设计者认为利用LED的定向辐射性能进行道路照明设计、可以大幅减少能量的浪费，他们认为白光LED比高压钠灯更节能。他们设计了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成样板工程。但是这些样板工程大都并未经过仔细测试和相关xx部门认证。

其中一种照明设计方案是将120只1W白光LED矩阵式分布在200×250mm的矩形平面电路板上，板后为接线，然后整体安装在常规路灯灯具中。这种设计是极不科学的，该方案选用的LED单只发光量不超过40lm，估以40lm论之，考虑到配套电器损耗(10%)以及90%的光利用率，其实际系统光利用率不足32lm/W，120只 LED的总有效光通量约4300lm。假如LED的光发射角为120°，按这一设计4300lm的光将以120°的发射角射向下方。可以想象这样的设计将使地面光分布极不均匀，街心及灯杆之间xx黑暗。加以这些设施中并未考虑对LED基片采取有效降温措施，如此多的LED集中在如此小的空间，80多瓦的功耗持续积累将使芯片温度过高，阻挡层压降下降，所发蓝光向长波方向漂移，这必然造成其光效的严重下降。

关于LED路灯的节电效果，在很多实用LED路灯取代高压钠灯的案例中，节电是一个重要的因素，但实际LED路灯并不比高压钠灯节电。从发光效率的比较，目前实际应用的大功率LED路灯的发光效率（80lm/W）远低于高压钠灯（100~138lm/W），因发光效率底，LED路灯灯具综合能效还是低于高压钠灯。

经过考察了北京郊区某光伏照明样板路(光源总功率为105W)灯下照度只有3.5 lux，据此前二个半月、该工程刚完工时灯下照度为7 lux。而灯下直径15米以外的地方则根本没有任何照明效果。在江苏、浙江、山东、广东不乏此类工程样板，例如广东顺德某处和深圳某处的LED道路照明示范街不仅灯光昏暗，而且每隔3～5个月必需更换光源。

　　因此某些专门从事LED道路照明工程的企业从中接取了教训，他们采取的措施是使1W LED工作在0.5～0.6W状态，或是将3W LED设计为1W使用，这样虽然成本很高、光效很低，照明效果不佳，基本解决了光衰和寿命问题,但是最终还是不现实。还有将多个蓝光LED芯片组装在同一上，用一只专门设计的较大凸透镜作输出窗、在输出窗内壁涂敷荧光粉，使所有LED芯片共同激发同一荧光粉涂层。这种组合式LED的发光特征被改造得与常规球形光源相近，使用较为方便，但这种结构LED的基板散热问题仍然存在。

　　需要注意的是将多个LED集中在一起进行道路照明设计时、除足够的光通量和合理的光学设计以保证合理的光分布外、更为重要的是散热问题。如前所述，目前LED的能耗中约80%以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，如果不能将所产生的热量即时导走则必将引起严重后果。

  　因此，目前实际现状告诉我们用LED进行的道路照明条件目前尚未成熟，这既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散热方案和措施的解决，当然更合理的光学设计也是非常重要的。

4、LED路灯产品成本价格

LED路灯目前的成本还远于高压钠灯，一款LED路灯目前价格在4000元~8000元，甚至更高，一套进口品牌的高压钠灯（含灯具、成套电器光源）价格不超过1500元，平均价格是LED路灯的四分之一不到。

使用寿命比较，LED路灯标称使用寿命是5万小时以上，这是芯片的理想寿命，芯片的封装、灯具散热等因素都可能光衰减，还有驱动电路（以电子元器件为主）的寿命显然也不能达到5万小时，而且灯具的衰减已经非常明显。高压钠灯标称寿命目前已经超过2.8万小时，实际应用3~4年问题不大，相比之下高压钠灯及配套电器的寿命要问题的多。对光源的维护，高压钠灯要轻易的多，可在现场直接更换光源电器，成本也较低。而对于LED路灯，厂家认为是免维护的，其实在现场就无法进行维护。

五、结论

　　LED是一种优良的有前途的光源，其特定的发光机理赋予它一系列特征和特点。由于它的发光体小、介质密度大、发光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能给人眼以清晰、明亮、无误的光信号，用于指示、显示时具有无与论比的优越性，所以在显示领域其应用已极为广泛，无所不在。小功率LED(1W及以下产品)还在装饰照明和艺术照明方面显示了特有功能和魅力，例如在小空间的局部照明、近距离小功率手电筒、台灯以及应急照明等方面有非常广泛的发展余地，2008年北京奥运更充分发挥了LED的此种功能。

　　如所周知，除LED以外、所有光源的发光体均是在高温下工作，几千度的高温是保证其高效发光的条件，但LED等半导体类的发光器件其发光中心的温升则是极为有害的，如果这个问题不能解决，则LED光效的提高、功率的加大是有限的。目前市场上的白光LED的实际光效约为40lm/W，{zg}不超过50lm/W，对用于功能照明，这些参数尚待提高。为推广白光LED更为重要的是廉价、高效的散热系统的开发。

　　目前白光LED不需要、也没有条件和中大功率常规照明光源争夺道路照明市场。因为与室内照明不同，开阔空间的道路照明四周没有反光物体存在，因此道路照明要求的光通量更大，这正是目前道路照明大多采用250W、400W高光通量高压钠灯的原因，这种灯的光通量在28000lm至48000lm范围，若以1W、3W的 白光LED取代，则LED的需要量太大、成本很高、设计难度也大，技术不成熟等，并且效果难以理想。

中国的道路照明消耗作巨大能源、也有很大潜力可挖，其改造势在必行。近数年来LED在道路照明方面已取得大量经验教训，加以目前白光LED的光效不高、寿命不长，用目前的是LED作道路照明试验远远不行，需研发出xxx率、更长寿命、更大功率的白光LED和廉价高效的冷却系统后再行推进。