LED光源的應用與發(fā)展

衛(wèi) 蕊，郭夢嬌

西北工業(yè)集團有限公司，陜西 西安 710043

0 引言

LED光源能夠發(fā)出多種光，能產生不同的亮度。在不同的工作環(huán)境下，LED光源可以產生超高、高、普三種不同的亮度，也可以發(fā)射可見光和不可見光[1]。通常，節(jié)能型LED的單管驅動是直流電源，工作功率為0.03～0.06 W，所需的電源消耗很少；LED響應快，工作電壓一般為1.5～35 V，電流為15～18 mA，電轉光效率為100%。目前，市場上的LED光源成本較高，但具有低輻射，不含紫外線、紅外線，無污染，防眩暈等優(yōu)點，因此成為新一代光源。LED光源作為21世紀極具價值的新光源，逐漸取代日光燈、白熾燈，占據(jù)照明市場領先地位，實現(xiàn)了照明技術的革新[2]。

1 LED光源的發(fā)展歷程

1.1 指示應用階段（20世紀80年代前）

1965年，商用化LED光源開始生產。1968年，開始利用氮摻雜工藝研發(fā)LED光源，器件效率提升了1 lm/W，可呈現(xiàn)多種光，如橙光、黃光與紅光。期間，我國第一批LED逐步朝著市場邁進。1971年，推出綠色晶片LED光源[3]。

（1）1907年，英國科學家Henry Joseph Round在碳化硅中觀測到了電致發(fā)光，但是其黃光太暗，很難應用到實際中，于是舍棄了研究。隨后，德國科學家Bernhard Gudden和Robert Wichard從鋅硫化物、銅內提取得到發(fā)光黃磷，但由于發(fā)光暗淡，也放棄了使用。1936年，法國科學家George Destiau在報告中講明，硫化鋅粉末可以發(fā)射光線。隨著電流的應用與理解，“電致發(fā)光”一詞終于出現(xiàn)。20世紀50年代，英國科學家使用半導體砷化鎵在電致發(fā)光實驗中發(fā)明了第一顆LED，其于20世紀60年代進入市場。第一款商用LED光源無法發(fā)出不可視紅外光，但在感應和光電探測領域應用迅速[4]。

（2）1968年，開始在砷化鎵上應用磷化物摻雜，具有商業(yè)價值的LED問世。磷摻雜工藝可提升LED發(fā)光效率，提升紅光的明亮度，甚至可以產生橘黃色的光。當時，選擇的材料為砷磷化鎵（GaAsp），發(fā)出的紅光的波長為650 nm，驅動電流為20 mA，光通量較小，發(fā)光效率為0～1 lm/W左右，是白熾燈的1/100[5]。

（3）1970年中期，磷化鎵開始應用在發(fā)光光源中，且將元素銦（In）和氮（N）引入，LED光源可產生綠光。產生的綠光的波長為550 nm、黃光的波長為590 nm、橙光的波長為610 nm，光效可提升1 lm/W。這一時期，LED在文字點陣顯示器、背景圖案燈柵、條紋圖陣列等中應用，多為電子產品指示燈。

1.2 信號與顯示階段（20世紀80年代）

20世紀80年代早中期，人們開始在LED光源的制造中使用砷化鋁鎵（AGaAs）材料，提升了紅光光效，量級為10 lm/W。LED光源開始應用到戶外運動信息發(fā)布系統(tǒng)、條碼系統(tǒng)與光電傳導、醫(yī)療設備領域。

20世紀80年代后期至20世紀90年代初期，金屬有機化學氣相沉積（MOVCD）外延技術愈發(fā)成熟。1990年，借助Al、In、Ga、P元素構建得到四元材料LED光源，可呈現(xiàn)橙黃色、黃色、綠色、紅色等顏色的光。對比標準器件，這一光源的光通量提升了10倍之多。同年，推出了碳化硅芯片材料LED光源，其發(fā)光效率為0.04 lm/W，發(fā)光強度≥15 MCD。這一階段，LED光源除用于戶外顯示，還應用于紅綠燈、汽車信號燈等領域[6]。

1.3 全彩應用及普遍照明階段（20世紀90年代—21世紀初）

1991—2001 年，隨著材料、技術及芯片的發(fā)展，LED邁入了高速發(fā)展時期，商用化LED光源的光通量提升了20倍之多。

1994年，日本科學家中村秀二利用GaN基底開發(fā)出了藍光LED。同年，日本日亞公司開發(fā)出了藍色超高亮度LED光源，彩色顯示屏內的基色LED光源包括藍、綠、紅、黃、橙，發(fā)光強度達到了Candra級別，實現(xiàn)了全色化、超高強度化，得到了LED光源全彩色室外顯示屏。自此，紅、綠、藍全彩動感大屏顯示技術的應用得到了快速發(fā)展，也為白光LED的發(fā)展打下了基礎。白光不是波長單一的光，而是復合光，白光LED在多波長領域得到了廣泛應用。1997年，日本日亞公司借助GaN藍色LED激發(fā)黃光熒光粉，開發(fā)出了第一顆白光LED。雖然其效率僅為10 lm/W，但意味著LED進入了普通照明時代。1998年，飛利浦公司選擇大尺寸芯片，封裝了1 W級別的大功率器件，LED光源朝著普通照明領域持續(xù)邁進。

隨后幾年時間內，白光LED發(fā)展迅速。2000年，日亞公司開發(fā)出了15 lm/W的白光LED；2003年，日亞公司開發(fā)出了光效為60 lm/W的白光LED；2006年3月，光效提升到100 lm/W；2006年7月，Cree公司研制的白光LED的光效為130 lm/W；2006年11月，日亞公司開發(fā)的白光LED的光效為150 lm/W，效率獲得了顯著提升。

2 LED光源的應用優(yōu)勢

LED光源本質上是能夠把電能轉換成光能的半導體二極管，其應用優(yōu)勢如下：（1）光效可達50～200 m/W，光源的單色性較強，光譜較窄，無須過濾，可直接發(fā)出彩色光[7]；（2）能源消耗較少，光源功率一般為0.03～0.06 W，在相同情況下，耗電量僅為熒光燈的一半；（3）響應速度快，能夠很好地適應高頻工作；（ 4）壽命長（使用壽命達100 000 h），體積小，質量好，包裝材料采用環(huán)氧樹脂，能經受強烈的機械振動；（5）安全性高，作為低溫光源，LED的發(fā)熱率很低，不會產生熱輻射，能夠實現(xiàn)光線角度、形狀的控制，光線較柔和，不會產生刺眼的光線，不會產生鈉、汞等有害物質；（6）對環(huán)境友好，LED廢料能高效循環(huán)利用，不會造成環(huán)境污染，安裝和維修方便。

3 LED光源的應用策略

3.1 加強LED光源和景觀設計的結合

城市夜生活需要燈光的支持，基于此，建筑外立面的亮化施工已成為現(xiàn)代都市建設的重要內容。目前，建筑外立面的燈光形式分泛光照明和內部采光兩種。泛光照明是利用LED光源在建筑物的一定距離內形成一種漂浮在燈光下的照明效果，埃菲爾鐵塔、巴黎圣母院、凱旋門等著名夜景建筑都采用了泛光照明；內部采光在很多地方都有使用，如大樓的外墻。在室內和室外燈光的襯托下，建筑更具表現(xiàn)力，同時也便于日常的維護。

在燈光規(guī)劃中，要注意燈光的整體協(xié)調，燈光要與景觀建筑相結合，而不能只是附屬。LED與景觀設計的結合會對燈光效果造成影響，加強二者的組合，能夠提升景觀的視覺效果。有關部門應加強對設計的關注，提高設計質量；設計人員要組織專家根據(jù)景觀地理位置、亮點、需求等，進行數(shù)據(jù)整理分析，為后期設計提供資料支撐，為景觀和光源的結合奠定基礎。同時，需要加強與景觀部門的溝通交流，加強景觀與照明設計的互動，借助網(wǎng)絡仿真技術動態(tài)化調整燈光設計方案，提升方案實用性。在具體的施工中，設計人員要加強監(jiān)督，保證光源的安裝完全按計劃進行，在光源的調試過程中，如果出現(xiàn)不合格的情況，則要進行相應的整改。

3.2 重視LED光源的色彩設計

在LED光源的應用中，顏色的使用起到舉足輕重的作用，有關部門要注重LED的使用。需要引入專業(yè)技術人員，充實設計隊伍，提出專業(yè)意見，提高光源顏色的設計水準。還可以根據(jù)公眾的意見和反饋，根據(jù)公眾的審美觀豐富設計的內容。在保證基本照明需求的基礎上，從宏觀上考慮建筑裝飾的美感，從微觀上考慮燈光與景觀的協(xié)調，以防止燈光不均勻、色彩不均勻等問題。同時，在燈光設計上講究藝術，發(fā)揮燈光設計長處，創(chuàng)造動態(tài)的立體感，充分利用光源的動態(tài)漸變、間明停留、交錯演變、移動交換、切割重組等變化方式，將人的視覺停留效果運用到極致，突出光源的色彩，給人以視覺上的享受。

3.3 提升LED光源的制作水平

有關部門應加強與照明廠商的溝通，依照設計方案制定光源，以此提升LED光源的景觀效果，取得“1+1＞2”的效果。廠商應持續(xù)引進國外的先進技術，加強LED光源的生產，降低LED光源的使用量和維護費用，從而推動LED光源的推廣。

3.4 合理選擇LED光源的風格

LED光源要根據(jù)實際情況進行合理設計。在不同的文化和城市環(huán)境中，LED光源的色彩選擇、安裝方案有不同之處。在實施燈光規(guī)劃時，應根據(jù)當?shù)氐木唧w情況，結合當?shù)氐奶攸c，全面掌握燈光的安裝方案，使LED光源的優(yōu)點和特性得到最大限度的發(fā)揮。例如，在設計時，根據(jù)調查結果，LED光源箱可以采用塑料框架和雕花面板。如此設計出來的LED光源更具藝術表現(xiàn)力，借由外部電路的適當控制，可以使燈箱呈現(xiàn)多種色彩，成為一種成功的燈飾藝術。

3.5 貫徹節(jié)能理念

LED節(jié)能照明光源具有耗電少、壽命長、光效高、易控制、安全性高、免維修等應用優(yōu)勢，是目前國際市場中應用范圍最廣、利用率最高的一種現(xiàn)代化冷光源。與傳統(tǒng)的節(jié)能燈相比，更加節(jié)省電量，照明效率更高，亮度更大，投光更遠，且性能更強，使用電壓范圍更廣。LED節(jié)能照明光源借助微電腦控制器，可實現(xiàn)光源色彩的自由轉換，色彩艷麗且光色柔和，在節(jié)能的同時更加美觀和綠色環(huán)保。

4 LED光源的發(fā)展前景

4.1 智能化

LED光源價格高于傳統(tǒng)光源，這是阻礙其進入市場的一個障礙。此外，產能過剩也造成了市場競爭的白熱化。高亮度LED光源的出現(xiàn)，推動了照明市場的發(fā)展，LED智能控制器的出現(xiàn)，更是成為推動市場發(fā)展的動力。高亮度產品的設計師面臨較多的挑戰(zhàn)，如散熱管理、拓撲架構設計、驅動方案設計、基礎設施設計等。隨著LED光源的智能化發(fā)展，未來的LED光源可以進一步提升光效。其中，應用于汽車智能照明屬于LED光源的主流發(fā)展趨勢。智能化LED光源可按照需求調節(jié)燈光的明暗程度，可實現(xiàn)燈光色溫調節(jié)和場景的定時控制，可滿足個性化與舒適化的需求，保障燈光安全。

LED光源照明產業(yè)將朝著智能化方向發(fā)展，在燈具的生產過程中，將引入傳感器和智能化控制方案，通過調整操作方式，可切實滿足用戶需求。在物聯(lián)網(wǎng)技術下，LED光源具備照明、安防、消防、溫控與人測等功能，在樓宇管家系統(tǒng)內得到廣泛應用。這些功能的實現(xiàn)，依賴于LED光源與PC和Internet的連接，可以滿足便攜式需求，在云控制、數(shù)據(jù)采集、處理儲存上，通過iOS或Android系統(tǒng)，LED光源能夠與家庭局域網(wǎng)實現(xiàn)遠程連接，實現(xiàn)對照明設備的實時控制。

4.2 節(jié)能化

LED節(jié)能光源的特征決定了在未來，其將取代傳統(tǒng)照明光源，有著十分廣泛的用途和發(fā)展空間。

LED光源實質為小芯片，芯片中是由計算機系統(tǒng)構成的指令程序。經過技術人員的精密處理，LED光源被封裝在環(huán)氧樹脂中，體積非常小，且重量非常輕。

LED節(jié)能光源的耗電率較低，常見的LED節(jié)能光源的正常工作電壓為2～3.6 V，工作電流為0.02～0.03 A。也就是說，LED節(jié)能光源的功率不到0.1 W。

LED節(jié)能光源的發(fā)光效率高達130 lm/W以上，而且隨著使用年數(shù)的增長，LED的光效隨之增加，甚至可達240 lm/W。光效高代表LED光源的節(jié)能率高，從LED照明光源的實際測試數(shù)據(jù)結果來看，一顆8 W的LED光源可以替代一顆32 W的傳統(tǒng)光源，而且光效相同。

5 結束語

綜上所述，隨著我國照明技術的蓬勃發(fā)展，我國大力提倡環(huán)境保護、節(jié)能減排理念，這在一定程度上推動了LED光源的發(fā)展與應用。在具體應用中，要求相關人員不僅要充分掌握LED照明的應用要求，還要注重照明效果與燈具的合理布置，確保LED光源的優(yōu)勢在不同場合得到充分發(fā)揮。