摘 要：本文结合LED光源的优点和特性，以及存在问题，客观分析在各种照明工程中如何根据LED的特点合理应用LED，以及进一步推进LED在照明工程中的应用所要解决的重点问题。
关键词：LED光源；照明；光效；节能
LED发光二极管，也叫做光发射二极管（Light Emitting Diode，简写为LED）。是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。诞生于20世纪60年代，作为一种具有巨大发展潜力的固体发光光源，LED的长寿命、牢固的结构、较低的功耗和灵活的外形尺寸等优点得到了人们越来越多的关注，从最初的指示应用的阶段，到近几年来LED特别是单色LED被广泛地应用在大屏幕显示、信号灯和景观照明中。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中载流子发生复合，放出过剩能量而引起光子发射产生可见光。近年来随着LED芯片技术的提高、价格的降低以及相关驱动电路的成熟，使LED光源在照明领域的应用成为可能。尤其在目前全球范围能源紧张，中央政府大力提倡“节能降耗”的宏观环境下，大力推广LED照明必将产生重大的经济效益和社会效益。
然而，将LED应用于照明工程中也面临着一系列的挑战，例如单颗LED的光通量还难以满足普通照明的需求、单位成本过高、光效比气体放电灯低、色差大、稳定性不足等，虽然各厂家对实验室研究成果频频刷新，但对于真正的符合照明要求的市场化产品仍需一定的时间，这是LED研发人员、生产商和使用者都无法回避的事实。因而，要将LED应用在照明工程中，一定要充分考虑LED的发光特性，从塑造合理光环璄的要素出发，合理利用LED的优点，灵活应用LED，使不同的照明工程中可以充分发挥LED的优势，塑造优秀的照明工程作品。
一、LED光源的优点
1、结构牢固，寿命长。
具有固态结构的LED不同于一般的热辐射光源或气体放电光源那样具有易碎泡壳和易断的灯丝或支架，其结构牢固，在使用期一般不会破裂或爆裂，具有安全的保障和很长的寿命。一般LED的寿命在10000～100000小时，与传统光源相比相差一个数量等级，应用在照明工程中可以大大降低维护费用。
2、色彩选择性多，多变幻。
不同的芯片材料可以获得不同的单色LED，而相同的芯片材料在不同的外延片部位生长出来的LED的光色也各不相同。另外，只要芯片合金组分有细微的变化，也会造成LED的发光颜色有较大的改变。理论上可以在可见光范围内获得各种单色光和白光的LED。这一特点一方面使LED的色彩和白光LED的色温及显色性具有很大的选择范围，但另一方面在需要单一颜色的LED时，各颗粒之间的色差控制难度增大。在中国2008年北京奥运会上，科技含量最高的场馆——“水立方”外表的绚丽色彩就是来源于LED照明，仅这一项，就比普通照明节电60%以上 。
3、响应快。
电致发光的原理赋予了LED只有几个MS的响应时间，使LED能在瞬间达到全光通输出，作为信号照明具有强大优势。结合其色彩多样性，LED产品更便于实现色彩和亮度的控制，从而可以用到很多需要实现控制的领域中。
4、发光效率潜力大。
LED自上世纪60年代诞生以来，以每16年亮度提高30倍，价格下降10倍的“海兹定律”快速发展。据报道，目前白光LED光效的实验室数据已超过100lm/W，而进入商业领域的大功率白光LED也达到40lm/W。随着关键技术的突破，未来大功率LED的光效仍具有很大的上升空间，最高有可能达到150～200lm/W。应该看到，目前LED发光效率虽然已经超过了白炽灯的发光效率，但仍然不及气体放电光源，所以目前为止，在节能方面LED并不具有完全的优势。
二、不同照明工程中LED的应用
LED光源除了大量用于各种电器装置、仪器仪表、设备的显示外，主要集中在照明领域，包括：
1、景观照明市场。
主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、庭院、草坪、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。LED在景观照明中充当着灵活、多变的角色，特别适用于非"以亮取胜"的场所，可以通过合理的设计塑造美丽的夜间景观，加上附件比较简单，LED可以用于各种个性化灯光雕塑和灯光小品的塑造。值得一提的是，由于LED的低压直流的工作特性，使其在一些景观照明的场合中更为安全，例如在喷泉、广场水池中的照明。另外，也可以很方便地和太阳能发电装置结合使用，如使用太阳能草坪灯，从而达到节能的效果。在政府的推动下，功耗低的LED，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力，因此LED照明已经越来越多地应用到景观照明市场中。随着2008年北京奥运会和2010年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入。
2、汽车市场。
LED被称为第4代汽车光源，虽然一次性投入较高，但拥有白炽灯无法比拟的优点，如LED车灯具有无延迟、节能、长寿、低热、抗震、色纯度高等诸多特点，已成为钨丝灯、卤素灯的必然取代产品。每台车内部应用如仪表板、阅读灯，外部应用则为尾灯、煞车灯、方向灯、头灯等。将汽车照明单独列出是因为汽车无疑是一个综合的照明应用场所，例如汽车尾灯、刹车灯和转向灯属于信号照明的领域；而从汽车的移动特性来说汽车照明属于移动式照明的领域，车内灯的照明既有指示照明又有显示照明和小面积投射照明；汽车前灯则要求的是大面积的照明而非小面积照明，对光通量和光效要求也较高，出于安全的考虑，要求观测者在该照明下具有很好的视觉特性。因此，车内的指示灯和仪表盘显示灯的LED应用目前已是比较成熟的技术；LED作为尾灯、刹车灯和转向灯等信号灯在近几年也得到很广泛的应用。未来LED在车内的阅读灯方面应该能得到较大的发展，而在汽车前灯方面，一方面要考虑LED功率模块的光输出，另一方面要考虑LED的光色和显色性，在其眩光和可见度方面尚存争议，因而在普及应用方面还需时日。
3、交通灯市场。
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LED在指示照明中的应用已经非常成熟，随着LED亮度的增加，LED在信号灯和显示装置中的应用也日趋广泛。由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。上海市明文规定，新上的交通信号灯一律采用LED。但严格来讲，指示、信号和显示照明都不属于一般意义的照明工程，因为对于一般照明，我们要观察的是受光源照明的物体，而不像这几种应用方式要求对光源本身进行直接观察。但是无论如何，LED以其颜色的多样性和可选性、极短的响应时间、灵活的控制方式、较小的体积、超长的寿命和合适的能耗等特点，在未来的应用中，LED在指示、信号和显示照明中必将占有不可替代的一席，这也是LED进入传统照明领域之前主要的应用场所。
4、专用普通照明。
移动式照明指对照明的需求不是在固定的地理位置上的照明方式，如便携式照明(手电筒、头灯)、低照度照明(廊灯、门牌灯、庭用灯)、阅读照明(飞机、火车、汽车的阅读灯)、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯、路灯等。这些场所由于光源和电源处于移动状态，供电电压一般为直流低压，要求光源具有寿命长、体积小、结构牢固等特点。通常为小面积照明。这些特点正好是LED相比其它光源所具有的非常明显的优势。合理的二次光学设计可以使LED灯具的出光率和配光分布很好地满足人眼视觉功能的需要。例如空中客车A320系列在上个世纪90年代就开始了白光LED作为阅读灯的应用。随着二次光学设计技术的发展和白光LED光效和光色的进一步改善，LED在移动式照明领域应该具有更大的发展空间。
5、室内照明。
在室内娱乐场所，一般不需要太高的照明水平，重视用颜色及颜色的变化来营造各种静态和动态的照明效果，在这一场合中LED可以得到很好的应用，LED在营造气氛方面有着极佳的优势。而在一般的室内场所，装饰照明、展示照明和重点照明将是目前LED应用于室内照明的重点，合理利用LED的优势可以使照明达到出乎意料的效果。例如在商店照明中，通过对700多位商店顾客的调查研究表明，利用LED的彩色光进行背景照明，并适当降低展示物品的照度水平，顾客对商品的吸引力、舒适度和整体效果等评价都增加了，这一合理的照明设计改善了商店照明的印象，在降低了30％能耗的同时增加了顾客的满意度且不降低销售量，还可以更好地吸引潜在顾客。
6、安全照明。
由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。如矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯。
7、特种照明。
如军用照明灯(无红外辐射)、医用手术灯(无热辐射)、农作物和花卉专用照明灯等。
三、LED照明应用中存在的问题
虽然LED照明的应用领域在不断扩大，但在照明普及应用方面仍存在一些问题：
1、光通量有待提高。LED 的光效与高强度气体放电灯相比仍有较大差距，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转换效率，目前世界各国均加紧了对提高LED 发光效率方面的研究。
2、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，与自然光有较大差距。
3、产品的一致性、可靠性有待提高。由于照明灯具需由多个LED 单体组成，其参数离散性是一个重要的技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED 单体的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED。此外由于照明灯具由多个LED组成，要考虑其散热问题，以免影响灯具的性能和寿命。
四、小结
LED是否能更广泛地应用于普通照明的领域，关键是看人们对LED照明的效果是否认可，LED是否能为人们提供一个健康而舒适的光环境。照明工程的最终目的是为人服务，因此一定要考虑照明的人体功效学的研究，即要充分考虑照明光环境对人们需求的满足程度。良好的光环境应该从人的视觉、心理和生理的需要出发，综合考虑多项因素。因此LED照明要扬长避短，缔造健康的舒适的光环境，为创造适合人居的光环境方面真正发挥其积极的作用。否则就对人们工作的效率、心理或生理健康会造成不良的影响。国外特别是美国和日本非常注重照明效果的人的因素的考虑，我国也已逐渐开展了这方面的研究。随着LED 技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，造价逐步降低，LED 的应用市场将更加广泛，特别是在全球能源短缺的背景下，LED 光源在照明市场的应用前景备受瞩目，在我们大家的共同努力下，LED光源必将成为21世纪的主导光源。
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论文作者:栾力
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/14
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