浅谈LED在绿色照明领域中的应用

浅谈LED在绿色照明领域中的应用

作者：胡婷杜彬彬

来源：《城市建设理论研究》2013年第13期

摘要文章介绍了LED的起源和发展，阐述了LED的发光原理及特性，论述了LED现阶段的主要应用领域，对LED在未来照明领域的发展进行了展望。

关键字LED 发光二极管节能

中图分类号： TU731.4 文献标识码： A 文章编号：

照明的发展经历了第一代的白炽灯，第二代的低气压气体放电灯（荧光灯、低压钠灯），第三代的高强度气体放电灯（高压汞灯、金卤灯、高压钠灯），到如今的第四代LED灯。今天似乎全世界的目光都聚焦在LED这个新型的光源上，其被誉为21世纪的绿色照明产品。因为它具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近点光源（有利于LED的灯具设计）、薄型灯具，灯具材料选择范围大，不需要加反射器，低压，没有紫外辐射，尤其在公共环境中使用更加安全等特点。再加上LED光源的生产可实现无汞化，对于环境保护和节约能源更具有重要意义。

国家为推广这种节能环保的能源也制订了一系列支持、扶持政策。根据最近国家《半导体照明节能产业规划》，2010年普通照明产品市场占有率为27.50%，传统高效照明产品市场占有率为72.3%，LED照明产品却仅有0.2%。而2015年的发展目标是，60W以上普通照明用白炽灯全部淘汰，普通照明产品市场占有率将降到10%以下；传统高效照明产品稳定在70%左右；LED照明产品占有率提升到20%以上。

下面通过具体介绍LED灯的发光原理、特性，LED主要应用领域，及应用中出现的问题来详细说明这种新能源。

（一）LED的发光原理——电子和空穴再结合时产生的多余能量变成光。

LED是一种半导体PN结二极管。 P型半导体为空穴多的半导体，N型半导体为电子多的半导体，这两个结合后即成为LED芯片的基本结构。

当给LED芯片加正向偏置电压时，电子与空穴在LED芯片中移动，产生了电流。在移动的途中遇到相反符号的电子和空穴时发生碰状后结合。这种现象称为再结合。根据能量守恒定理，在再结合后的状态下，产生的能量要小于电子和空穴各自所带的能量。此时，产生的多余能量将以光子形式释放，这就是LED的发光原理。不像白炽灯等能过使物体升温而发光，LED这种发光的原理使其成为一种固体冷光源。

（二）白色LED的发展过程

所谓LED，是将Light＝“灯光”Emitting＝“发出”Diode＝“半导体”这三个英文单词的字头拼到一起组成，也称为发光半导体，是一种通电后“发光的半导体”。

LED发展史：

1962年：GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物

1965年：红色LED诞生

1968年：橙色、黄色LED诞生

1971年：绿色LED诞生

1994年：蓝色LED诞生

1996年：白色LED被应用（蓝色LED＋黄色荧光体）

（三）白色LED的基本原理——蓝色LED+黄色荧光粉

目前市场上，常见白光LED发光原理基本上有四种形式：

1）、蓝光LED激发黄色荧光粉，从而得到白光；

2）、蓝光LED激发绿色+红色荧光粉，从而得到白光；

3）、红、绿、蓝光LED通过RGB配色原则形成白光；

4）、紫外UV-LED激发RGB三基色荧光粉，从而形成白光。

综合考虑形成白光的成本，以及稳定性，第一种方式是最成熟，且被广泛应用于生活的形式。其原理即使用蓝色LED产生的蓝色光激发黄色荧光粉使得“黄色光” 与LED本身的“蓝色光” 混光，制作出白色光。

随着技术的不断成熟，白光LED的光效由开始10lm/W，提高到了现在的150lm/W，这就为白光LED照明灯具的应用提供了有力的保障。

LED的优点

高效节能

LED最大的优势体现在节能上。LED采用直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06W），电光功率转换接近100%。据统计白光LED的能耗仅为白约炽灯的1/10，节能灯的1/4。

光源光效（lm/W）=光源光通量（lm）/光源功率（W）

典型光源光通量（lm）、光源功率（W）、光源光效（lm/W）比较：

白光LED直管： 2000lm——20W——100lm/W

荧光灯： 3250 lm——36W——90lm/W

白炽灯： 540lm——60W——9lm/W

长寿命

LED为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点。LED灯、荧光灯、白炽灯使用时间比较：

LED灯：40000小时（光束维持率70%）；

荧光灯：15000小时~20000小时；

白炽灯：1000小时~1500小时

以1日10小时点灯时间计算，1年点灯时间约3000小时，那么LED灯8~10年需要更换一次灯具。从而大大减少了维修烦恼和更换次数，节省材料成本和人工费用，并能确保长期正常使用。

多变幻

LED光源可利用红、绿、篮三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色,形成不同光色的组合变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。利用该特点，现在60%以上的夜景照明均采用LED灯具来渲染，给夜晚的城市增添更多的色彩。

可控制

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。

环保

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含诸如水银、铅等环境污染物，不会污染环境，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。此特点可以应用于食品、化妆品、画室、衣料照明等行业领域。

低温状态下瞬时启动、发光效率不降低

LED为固态冷光源，在低温环境下不需要特殊电路即能达到瞬时启动。LED在低温环境下发光效率几乎不受影响，甚至有可能好于常温环境。

防潮、抗震动

由于LED的外部多采用环氧树脂来保护，所以密封性能和抗冲击的性能都很好，不容易损坏。它可以应用于水下照明。

除上述特点外，LED光源还有：低热量、小型化、响应时间短等，这些都使LED光源具有很大的优势，为应用于实际生产生活中创造了有利条件。

白光与常规光源的主要技术特性比较：

注：☆——优势；〇——中间；△劣势

LED灯的应用

传统的LED主要应用于信号显示领域、建筑物航空障碍灯、航标灯、汽车信号灯、仪表背光照明，如今娱乐、建筑物室内外、城市美化、景观照明中应用也越来越广泛。

LED产品研发亟待解决的问题

LED虽然在上述很多方面有其相当大的优势，但是也存在不足：

在白光照明中显色性偏低

显色指数（Ra-colour rendering index），在被测光源下，某一选定的标准样品的颜色与参照光源下该样品颜色的相符程度。

两者完全一致时，被测光源的显色指数为100。