LED灯

使用發光二極管發光的燈泡

LED灯是指利用发光二极管(LED)作为光源,一般使用半导体LED制成。LED灯的寿命和发光效率可达白炽灯的几倍,和一体式荧光灯相比也高出不少[1][2][3],其中Cree等厂家更是号称能达到300流明/瓦特的效率。[4]

各种已推出市场的LED灯泡,用以取代传统灯泡的螺口灯座,包括泛光灯(左和左上)、一般家用灯(中偏右和下)和低功率的装饰灯(右)。

单颗发光二极管的光度比传统白炽灯节能灯低很多,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。[5]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购置成本荧光灯等传统照明光源高。

技术简介

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配以LED灯的轻钢架天花板

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的光度可独立调校,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 (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 (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。

驱动电路

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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电阻,以控制电压的极性和限制电流。

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。

用于居家和办公场所的照明时,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)。

基本电路

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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。
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;短路故障时,整个电路变成短路,不会发光。
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。

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。

现实电路

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额定正电压

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物理条件:Ta=25℃ If=20mA[6][7]

  • 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

电磁兼容性

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省电

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LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。

应用

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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,均比荧光灯优胜。[8]

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[9],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。[10]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,视乎需要而定。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。

植物用灯

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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。[11]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。[11]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[12],用于室内栽种十分适合。发热少能减少蒸散作用,从而减少灌溉次数。

家用LED灯

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大小与接口

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部分常用灯头规格:

E14小螺丝头

E27大螺丝头

B22钉头

LED灯泡

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很多LED灯均可取代螺旋式白炽灯或节能灯,由5-40瓦特,低功率的白炽灯,至60瓦特(只需约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瓦特白炽灯的光度相约[来源请求](一般的白炽灯光效标准,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瓦特白炽灯等效的“节能灯泡”,最少要能输出806流明)。[13]

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灯泡比节能灯更省电[14],若散热合宜,寿命长达30000小时。白炽灯一般都只有1000小时寿命,节能灯亦只有大约8000小时。[15]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%。[16]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,可互相抵消。[17]

LED灯管

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将LED封装成传统荧光灯管型式的LED灯管近几年也慢慢开始普及。

与传统灯具相比,LED灯具不需要起动器与镇流器,能源效率较高。

特殊用途

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LED电筒灯泡(左),可取代同款白炽灯(右)

白光LED灯泡具高效能,在低功耗的市场(如手电筒、太阳能花园灯和人行道灯、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年代起,汽车与铁路车辆的灯具也逐渐使用LED灯,一些高价车款的头灯也逐渐以LED灯取代传统卤素灯以及金卤灯(HID灯)。

先驱

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技术比较

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灯泡性能与开支比较(美国电价,相当于60瓦白炽灯亮度)
白炽灯[18] 卤素灯[19] 节能灯[20] LED[21]
售价 $0.41 $1.17 $0.99 $3.99
功率瓦特 60 43 14 8.5
平均光通流明 860 750 775[22] 800
光效(流明/瓦特) 14.3 17.4 55.4 94.1
色温(开尔文) 2700 2920 2700 2700
演色性(CRI) 100 100 82 80
寿命(小时) 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年数(每天6小时) 0.46 0.46 4.6 6.8
20年电费(0.11美元/KWh $289 $207 $67 $41
20年总开支 $307 $259 $70 $53
(按白炽灯亮度比例折合) $307 $297 $78 $57
基于每日六小时用量计算(20年共43,800小时)

能源之星

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研发

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美国能源部

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美国国家标准和科技机构

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其他组织

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局限

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  • 散热需求高
在散热不良的情况下,LED的寿命会大幅减少。
  • 高初期成本
LED价格高,虽然说长期成本可能较低,但是较高的初期成本降低了LED的普及率。
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(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。大致上需要用波长组合的方式来模拟。
  • 容易有无法察觉但很伤眼的低频闪烁
许多低价的LED产品,是采用低频PWM的方式来调节亮度,荧光灯使用这种调光方式相对没有那么伤眼,因为荧光灯有余辉效应,但是没有余辉效应的LED灯使用低频PWM调光就很伤眼。许多无法调整亮度的低价LED照明,其整流变压电路过于简陋、造成闪烁,也是很伤眼。
  • 无法融雪
LED灯的发热低于多数传统户外光源,在下雪、冻雨及冰霰的情况下反而会造成安全问题。
  • 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灯管。
  • 生产误差大
同一批生产的LED,每颗LED之间的特性(亮度、颜色、偏置…等)也有相当大的差异,必须花费相当成本分出各种 LED。
  • 光害问题
2017年,台湾云林县道路两旁的LED路灯,因照明过亮、时间过长,衍生光害危机,令作物误将冬季以为夏季,以至于稻子不结穗、包心白菜不会包、玉米又高又粗但不结果、菠菜茎只抽高、不长叶子。[23]
  • 混乱生理时钟
LED街灯的色温高(甚至是白色)、演色性较低,高色温代表包含蓝光比例越高,而非低色温的低演色光线则蓝光比例更高;反观传统街灯的演色性虽差,却只是黯淡的黄光、可以说不含蓝光。高色温的蓝光及白光会让人脑误以为现在是白天,LED街灯效率虽然高,但白光LED街灯的流行不只会改变了夜景、也提高了健康风险;若使用低色温、高演色性的LED街灯,对生理时钟的影响就较低。

标准

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台湾

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  • CNS 14115 - 镇流器内藏式发光二极管灯泡(一般照明用)—安全性要求
  • CNS 15436 - 镇流器内藏式发光二极管灯泡(一般照明用)—安全性要求
  • CNS 15592 - 光源及光源系统之光生物安全性
  • CNS 15630 - 一般照明用镇流器内藏式LED灯泡(供应电压大于50V)— 性能要求
  • CNS 15663 - 电机电子类设备降低限用化学物质含量指引

参见

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参考资料

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  1. ^ How Energy-Efficient Light Bulbs Compare with Traditional Incandescents. energy.gov. [31 August 2016]. (原始内容存档于2017-12-23). 
  2. ^ CFLs vs. LEDs: The Better Bulbs. greenamerica.org. [31 August 2016]. (原始内容存档于2016-09-09). 
  3. ^ Lightbulb Efficiency Comparison Chart. greatercea.org. [31 August 2016]. (原始内容存档于2017-11-16). 
  4. ^ LEDs Will Get Even More Efficient: Cree Passes 300 Lumens Per Watt. forbes.com. [31 August 2016]. (原始内容存档于2021-01-12). 
  5. ^ myledlightingguide.com, "Specifications of LED high bay lights," [1]页面存档备份,存于互联网档案馆), Updated September 2010
  6. ^ LED照明推进协议会‘LED照明ハンドブック’日刊工业新闻社2006年7月1日初版1刷発行ISBN 4274500926
  7. ^ 谷腰欣司著‘発光ダイオードの本’日刊工业新闻社2008年1月28日初版1刷発行ISBN 9784526059902
  8. ^ Consumersearch.com, " Light Bulbs: Full Report," LED light bulb页面存档备份,存于互联网档案馆), Updated June 2009
  9. ^ Ivan Moreno, Maximino Avendaño-Alejo, and Rumen I. Tzonchev. Designing light-emitting diode arrays for uniform near-field irradiance (PDF). Applied Optics. 2006, 45 (10): 2265–2272 [2011-01-29]. PMID 16607994. doi:10.1364/AO.45.002265. (原始内容 (PDF)存档于2011-07-22). 
  10. ^ Ivan Moreno, Ulises Contreras. Color distribution from multicolor LED arrays. Optics Express. 2007, 15 (6): 3607. PMID 19532605. doi:10.1364/OE.15.003607. 
  11. ^ 11.0 11.1 Adam. Why Grow With LEDs. Commercial LED Lights. 2021-03-19 [2021-03-24]. (原始内容存档于2021-03-23). 
  12. ^ Matt. LED Grow Light Research. Guru Grow Lights. 2009-07-09 [2009-11-17]. (原始内容存档于2020-11-09). 
  13. ^ Sarah Lonsdale, "Green property: energy-efficient bulbs页面存档备份,存于互联网档案馆)," Telegraph, July 7, 2010
  14. ^ Elisabeth Rosenthal and Felicity Barringer, "Green Promise Seen in Switch to LED Lighting页面存档备份,存于互联网档案馆)," New York Times, May 29, 2009
  15. ^ Justin Maeers, LED misrepresentations页面存档备份,存于互联网档案馆), May 2010
  16. ^ Integral LED Lamps Criteria Development (PDF). [2011-01-29]. (原始内容存档 (PDF)于2020-09-28). 
  17. ^ Taub, Eric; leora Broydo Vestel. Build a Better Bulb for a $10 Million Prize. New York Times. 2009-09-24 [2010-02-06]. (原始内容存档于2020-11-30). 
  18. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  19. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  20. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  21. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  22. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  23. ^ 雲林LED太亮變光害 蔬菜亂長. [2017-01-03]. (原始内容存档于2019-06-17). 

延伸阅读

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外部链接

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