大功率——LLEEDD知的识（发十一展） 趋势

施克孝，张国森

（1.中广国际建筑设计研究院，北京 100034；2.中央电视台技术管理中心，北京 100859）

LED光源，是继爱迪生发明白炽灯之后人类历史上的又一项重大发明。LED照明，被誉为现代的节能环保型“绿色照明”。LED照明产业，不愧为21世纪的朝阳产业。

如今，LED产品已用于照明行业的各个领域，如背光照明（手机、液晶电视等）、大屏幕显示屏、汽车灯、交通信号灯、路灯、矿灯、景观照明、影视及舞台照明等等。本文重点阐述与影视、舞台照明有关的问题及发展趋势，并作为本系列文章的一个小结。

1 LED的出现

LED是一种可将电能转换成光能的半导体发光器件，属于固态照明。事实上，从LED“电致发光”现象的发现，到其开始实际应用，再到广泛应用于各个领域，经历了一个漫长的过程。

1907年，科学家第一次从一块碳化硅里发现了电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不能实际应用，因而放弃了对这一现象的研究。1936年在研究硫化锌粉末发光的报告中，出现了“电致发光”这一术语。

世界上最早的LED是1965年用锗材料制成的。此后不久，采用磷砷化镓（GaAsP）材料制成的红光LED问世。当时其光效只有0.1 lm/W。1968年，LED的光效达到了1 lm/W，并出现了红、橙、黄三种颜色的产品。20世纪80年代，红光LED的光效达到了10 lm/W。

20世纪90年代中期，高亮度蓝光LED问世。有了蓝光，就可以用多种办法得到白光。如此前LED系列文章所述，蓝光是产生白光LED不可缺少的颜色。有了蓝光，可以用红、绿、蓝三基色LED相加得到白光；也可以用蓝光加黄光（蓝光照射YAG荧光粉得到黄光）产生白光；与此同时，研制出了发紫外线的LED，用紫外线LED激发三基色荧光粉也可以得到白光。白光LED的问世，是电光源发展史上的一大革命，它打开了通往LED功能性照明领域的大门。

最近，超高亮度的白光LED在实验室的光效已经超过200 lm/W，商用产品已经超过100 lm/W。同时，适用于影视、舞台用的高显色LED已经开始在电视演播室及舞台工程中使用。

2 电光源的分类

LED光源被称为第四代光源，这是怎么划分的呢？

人类用光的历史可以追溯到很久以前。考古发现，50万年之前，人类已经知道举起燃烧的木头用做照明，并成为现在还在使用的火把；3万7千年前，人类开始使用石制的油灯照明。后来，贝壳、陶器、金属的油灯相继出现。再后来，才出现了蜡烛等照明用具。

但就电光源而言，从1879年爱迪生发明第一只灯泡算起，只有一百多年的历史。如无特指，通常说的光源分类都是指电光源的分类。电光源按发光原理一般分为四代：

（1）第一代光源 —— 热辐射发光（有人称之为电阻发光），如白炽灯、卤钨灯。

（2）第二代光源 —— 利用弧光放电使气体（含金属蒸汽）发光，如高压钠灯、氙灯、金属卤化物灯。

（3）第三代光源 —— 荧光粉发光，例如生活中用的日光灯，电视演播室、舞台用的三基色荧光灯等。

（4）第四代光源 —— 固态照明，利用半导体发光，以目前正迅速发展的LED光源为代表。

第一代光源用的时间最长，到现在，它还在影视、舞台上“唱主角”。这主要是因为它的光谱连续光滑、显色性极好（最接近日光的显色性）、点燃及调光特性好、价格低廉等。但它的缺点也非常明显，易碎、寿命短、光效低、不节能，这在能源短缺的现代社会是一个致命的弱点。第二代光源气体放电灯，比白炽灯的光效高几倍，寿命也较长，金属卤化物灯的显色性也较好。但它的致命弱点是灯内含有汞（水银），在生产过程中及废弃灯泡中的汞都会污染环境、对人体造成伤害，不环保。顺便说一下，近年出现的所谓“等离子光源”，其实就是没有电极的金卤灯，它是用微波聚焦使气体放电（金卤灯是有电极的等离子光源，只不过没有人强调这一点而已）。其优点是寿命长、显色性好，是理想的点光源。其显色性可以做得很高，但光效较低（50 lm/W左右），可以用于要求高显色性而又是点光源的场所。第三代光源荧光灯已被广泛用于日常生活中，但灯管中也含有汞，存在污染环境的问题。

之所以说，第四代光源——LED是光源的一场革命，是因为它具有许多突出的优点和非常广阔的发展前景。

3 LED光源的优点

大功率LED一般是指1W以上的LED光源。与前三代光源比较，具有以下优点：

（1）环保、无污染——在现代社会，这是最重要的一条。LED为固态照明，不含汞等重金属，不污染环境，对人体没有不良影响。

（2）高光效——在能源短缺的现在，这一点也至关重要。卤钨灯色温为3200 K时，光效在24 lm/W左右；高显色的气体放电灯及三基色荧光灯的光效不超过100 lm/W；高显色的LED光源，目前品牌产品白光LED的光效已超过100 lm/W。400 nm～700 nm的等能量白光，理论光效值为241 lm/W。在不久的将来，满足影视、舞台需要（主要指显色指数及色温）的LED光源光效完全可能超过200 lm/W。

（3）寿命长——影视、舞台常用的卤钨灯寿命只有200 h～300 h；电脑灯中的金属卤化物灯一般为几百小时；三基色荧光灯的寿命可达8 000～10 000 h；而品牌的大功率LED光源在灯具中的寿命，目前已超过10 000 h。随着灯具及驱动电源散热条件的改进，不久的将来，其寿命有可能达到30 000 h～50 000 h。

（4）发光响应时间快——前三代光源中，白炽灯的点亮时间最短，大约为100 ms（毫秒，1 ms =10-3s）。而LED的点亮时间仅为纳秒（1 ns=10-9s）级，因此，高频特性好。

（5）适宜在低温条件下工作——在景观照明中，特别是像冰灯这样的景观，由于温度很低，荧光灯往往难以启动，而LED光源在低温下寿命会更长。

（6）在影视、舞台照明中需要多姿多彩的颜色时，LED光源具有突出的优点：在一台灯具中可放置多种颜色的LED，用加色法得到各种各样的颜色，光通利用率高，颜色饱和度也高。

4 大功率LED光源的发展趋势

（1）光效提高的空间还很大。前文已述，尽管现在的LED光效已超过前三代光源，但距理论最高值还相差很远，也就是说它还有很大的发展潜力。现在，LED的内量子效率（内量子效率及外量子效率的定义见本刊2012年第1期《LED的封装——LED知识（九）》）可以做得很高，一般都可以到90%以上（优质产品的内量子效率可达99%），但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率，就可以大大提高LED产品的发光效率。这是LED的重点研究课题之一。

另外，在谈及LED光源光效的时候，要区分几个概念。首先，实验室内LED光源达到的光效，不表示目前现有产品的光效，它还要解决生产工艺等一系列问题才能变成批量产品。因此，它代表的是未来产品的光效。其次，低显色指数产品的光效，不代表高显色指数产品的光效。有些厂家在宣传其产品的时候，说产品的光效达到多少流明瓦（lm/W），是显色指数比较低的LED光源的数值，高显色指数的LED光源达不到所宣传的数值。还有，目前的LED光源，高色温光源比低色温光源的光效高，5 600 K的LED比3 200 K的LED光效高。了解LED的这些特点，便于正确选购所需要的产品。

（2）提高显色指数是LED光源的重要课题之一。一般情况下，显色指数高，光效往往低一些；光效高，显色指数就差一些。有些应用领域，例如影视、舞台照明，对光源的显色指数要求就很高。

白炽灯光源是热辐射发光，其光谱分布及显色性很接近日光。气体放电灯出现后，由于它的光谱分布呈梳状（就像平常梳理头发用的梳子），部分气体放电光源的光谱连续但不光滑；部分气体放电光源的光谱不但呈梳状，而且不连续。在这种情况下，出现了显色性的概念，并给出了显色指数的计算公式。现在的LED光源不同于以上两种光源，它的光谱分布，从前述文章中的光谱分布曲线图可以看出，有高峰和低谷。经研究发现，有些光源的显色指数的“数值”较低，但看上去光色却不错；有的光源显色指数的“数值”很高，但看上去显色性却不好。因此，如何把显色指数的数值与感觉的效果统一起来，也是当前研究的课题之一。

（3）单颗LED光源功率还需要提高。现在，单颗LED光源的功率一般为3 W或5 W。单颗10 W的LED虽已出现，但不普遍。更大功率的LED都是模组（一个基板上组装多颗LED）的形式，例如100 W及130 W的LED都是模组发光器件。这主要是因为LED光源按发光体的体积计算，发热量高，解决散热的难度较大。

（4）价格需要大幅度降低。LED光源产品的价格是影响其大规模使用的重要因素之一。随着技术的日益成熟，生产批量的不断增大，LED光源的成本和价格会大幅度降低。可以说，白光LED普及的前提是价格大幅度下降，而价格大幅度下降又必须在白光LED形成一定的市场规模后才有可能。毫无疑问，两者的融合最终有赖于高新技术的“日新月异”。

总之，大功率白光LED光源现已成为具有非常广阔的发展前景和极大影响力的高新技术产品。随着我国国民经济的高速发展及低碳社会进程的加快，人们对新光源的需求与日俱增，LED光源必将为现代社会的节能、环保，为影视、舞台艺术，为人们多姿多彩的生活立下汗马功劳。

本系列文章撰写过程中，陈国义、柳得安、王京池、甄何平、胡和义等专家都提出了很多宝贵建议；同时，文章陆续发表期间，众多读者给予了热情的关注和肯定，在此一并表示感谢！当初，笔者写此系列文章的指导思想是侧重（影视、舞台的）实际应用，侧重科学普及，力求深入浅出。但由于本人的知识非常有限，因此文中可能有不当或错误之处，望得到同行们的斧正。

[1]沙占友等.LED照明驱动电源优化设计.上海：中国电力出版社，2011

[2]方志烈.半导体照明技术.北京：电子工业出版社，2009

[3]杨清德，杨兰云.LED及应用技术问答.北京：电子工业出版社，2011

[3]施克孝，于宝富.彩色电视照明原理与布光技巧.北京：北京农业大学出版社，1988