可见光LED应用：机遇和责任

2017-01-17李熹霖

智能建筑电气技术 2017年6期

关键词：日光灯功率因数灯具

李熹霖

(中国光学光电子学行业协会显示应用分会技术组，北京 100058)

0 引言

可见光LED具有节能、环保、安全、可靠和便于实现智能化的优点，在国民经济的各个领域都有广泛应用，其中，主要应用于信息显示、植物生长辅助光照及各类照明中。本文主要描述可见光LED在这三个方面的概况和新进展，思考面临的机遇、挑战和责任。

1 LED显示应用

LED用于信息显示在我国有近三十年的历史了，已形成一条完整的产业链，产品涵盖从一般文字信息发布到高端全彩视频显示屏。同时，也面临产品同质化、产能过剩、价格过度竞争等尴尬局面。

笔者认为，创新是LED信息显示行业唯一的出路。通过了解客户需求，总结经验教训，目前已经取得了一些成绩：1)小间距显示屏的开发取得了巨大成功，开拓了LED应用的新局面，使我国LED显示行业的总体水平提升了一大步；2)产品推向国际市场，在国际上拥有良好声誉；3)坚持科学严谨的作风，研究行业发展中的关键技术问题，目前拥有自主知识产权的发明专利居行业前茅；4)在创意屏方面，接连完成非常有特色的超大型天幕和景观屏；5)LED三维立体显示方面，产品得到主管部门和专家的高度评价。

上游的芯片和封装企业也有创新发展，十年前创造的“三基色灯管配光曲线完全吻合”发明，开创了国内封装企业的创新先河；目前，用于显示屏的国产LED灯管和SMD芯片，其技术指标可与国际知名品牌媲美；此外，在控制系统和其他配套设施及服务方面也形成了一批水平高、信誉好的领军企业。

国家制定的《制造业发展规划4.0》第一个目标“中国制造2025”，着力于自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面赶超世界水平。相信以目前的水平，完全有可能通过创新驱动，提前实现LED显示“中国制造2025”的目标。

2 LED照明应用

LED照明应用大致可以分为消费型、商用照明型和智能型。每个类型又可以细分出许多产品门类。在LED的各种应用中，LED照明产业规模最大、从业人员最多、竞争最激烈。

本文主要从技术层面探讨我国消费类LED照明产品的现状和创新之路。

消费类LED照明产品的最大特点是走进了千家万户，其市场规模之大不可限量。技术门槛不高，产品同质化严重，价格竞争激烈，其严重程度比显示产业有过之无不及。

笔者认为，LED照明应用行业的出路同样是创新。此类照明产品外观大多与传统灯具相似，品质和价格没有竞争力，只能在低层次上进行价格战。之所以设计成与传统灯具相似的外观，很大程度上是为了让用户更容易接受，所以采取“直接替代”的方式。而在经过十几年的普及之后，人们已经接受了LED照明，就该换一个思路：最大限度地发挥LED光源的优势，规避其一些弱点，力争性价比最优。这就必须按照其特点设计电路、工艺和结构，为了方便讨论，再次列出LED的特点：直流低压恒流驱动；结温对于发光管的效率和寿命有决定性的影响；芯片发光面很小，从使用的角度完全可以认为是点光源；单面发光，芯片输出光的空间分布是一个二维的余弦曲面。考虑到这些特点，就很容易明白传统的白炽灯、日光灯和气体放电灯的思路与LED有着很大差别。

例如，用成品的LED灯珠(lamp)组装成各种灯具，相比用COB方法将LED芯片(chip)安装在散热良好材料(陶瓷、铝基板、新兴的石墨烯材料等)的基板上，制作成灯具光源，其效率、寿命、工艺、成本的优劣立显。如目前照明所用的白光LED都是用蓝光LED做一级光源，然后在封装管壳里掺入黄色荧光粉，如果在蓝光LED芯片COB完成后再整体制作荧光层，那么优势就会更加明显。再如，从系统和结构设计的角度，平板灯远比球泡灯和日光灯管这两种形式要好得多。可以说，日光灯管形式是LED灯具的最差方式，无论是电路设计、散热、供电，还是使用、安装等各方面都不利于LED优势的发挥。

事实上，LED照明除了节能环保之外，还有一个突出的优点就是易于控制调整、实现智能化。近年迅速发展的照明情景设计和情调设计就是LED照明的高端应用。情景照明就是以场所为出发点，旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境，去烘托场景效果，使人感觉到特有的场景氛围；情调照明则是以人的情感为出发点，从人文的角度去创造一种意境般的光照环境。

由于LED使用低压恒定直流驱动，驱动系统的供电电源成为有决定性意义的部件，但是目前广泛使用的小功率开关稳压电源效率普遍不高，这无疑将最终限制LED照明产品的节能效果。目前深圳某公司发明的自适应光引擎使用线性恒流方案，可以在电网电压180～280V范围内保持99%的效率，已得到美国专利授权。

笔者认为，或许是受到传统照明观念遗留下来的概念影响，在LED照明时代有必要重新审视两个常见问题：第一个问题是关于灯具的性能指标，LED照明灯具的功率究竟应该怎样标识，现在市售的LED灯大多只标示瓦数和色温，没有输出光通量和寿命(光衰)的指标，无论从使用者还是从质量监管部门的角度看，都是很不科学的。另一个问题是功率因数，照明产品功率因数问题是从荧光灯等气体放电灯开始的，因为它们都必须配备镇流器，即很大的电感性负载，感性负载下电流落后于电压一个相位角，这个相位角的余弦就是功率因数。因而占用了相当大的无功功率。LED灯也会有一些无功功率，这是为了克服闪烁必须在整流后加上电容储能而产生的，与镇流器不同的是，它是容性负载，电流领先于电压。如果把感性负载的功率因数定义为正，容性负载的功率因数就是负，这两者的无功功率是可以补偿抵消的。事实上许多家用电器如冰箱、空调、电风扇等都是感性负载，而且它们的功耗比起照明灯具而言要大得多。所以更合理的方法是对于中小瓦数的LED灯具标示带有符号的功率因数或无功功率，而不必规定必须达到某一个数值，如0.9等。

3 LED植物辐照应用

利用人造光(PARS)保证和促进农作物生长的研究由来已久。目的在于用人工方法创造适合植物生长所需的环境。它催生了现代农业的新生事物：植物工厂。使用营养液，采用无土栽培，立体密集种植，人工控制水和二氧化碳的浓度，自动温/湿度调节，用特定波长的LED光作为人工辐照光源(PARS)取代日光，种植蔬菜瓜果。据报道国外已有成功实例，而且有望造就一个万亿级的巨大产业和蓝海市场。

我国同样非常重视PARS的研究和应用。在LED出现之前，基本上使用白炽灯、日光灯或节能灯作为人工光源。LED的出现，极大地推进了人工光照的应用。首先是因为LED可以高效产生植物生长所需波长的光，安全可靠、价格低廉、便于使用。

高等植物光合作用所需的光是400～460nm蓝紫光波段和600～700nm红光波段，绿光则大部被反射出去。所以人们看到的叶子是青翠的绿色。实验表明，在作物栽培中增加红光照射量，会抑制侧根的生长，但能提高作物的含糖量；增加蓝色光，会抑制叶柄的伸长，但作物的蛋白质含量增加。在育种萌芽阶段，蓝紫光会促进发芽和使幼芽粗壮。

不同的植物吸收的波长峰值有差别，同一种植物不同生长阶段所需的光色也有差异。研究发现，高等植物的叶绿素有a、b两种，对于两种叶绿素之比，阳性植物高于阴性植物。叶绿素a吸收光谱的峰值分别在420nm和663nm，叶绿素b的峰值分别在460nm和645nm。因此，研究和开发人造光源(PARS)就是尽可能准确地模拟植物的吸收光谱，以求研制出特种发光材料，使其发射光谱最大限度地接近植物的吸收光谱以产生共振吸收，促使光合作用高效地进行。

植物专家指出，植物的生长发育、开花结果是通过光合作用、光形态建成、光周期调节来完成的，这些都离不开光的参与和调节。恰当而及时地使用和调节光照极为重要。

这就是说，不仅要创造出适合于农作物光质的人造光，还要能根据作物生长的阶段、状态及水肥温度等因素，恰当地调整和控制其光谱组成、光照强度和光照时间等，力争为农作物创造最佳的发芽、生长、开花、结果的环境，确保农业的发展和丰收。

在LED出现之前，人造光很难同时满足上述所有要求，白炽灯发出的光中90%是红外线，只有10%的红光，而日光灯、节能灯则以蓝绿光为主，使用日光灯、节能灯、高压汞灯、钠灯等时还需白炽灯作为补充，其效率之低显而易见。而且将这些灯高悬在大棚顶部，照的黑夜里如同白昼，真正被植物吸收的微乎其微，能源的利用率也非常低。LED受到青睐的原因主要有：1)它能发出从紫外到可见光到红外的全光谱的光，因而可以根据需要进行选择。2)可以控制光线的照射方向和强弱，使能量得到充分利用。在这方面，显示应用和照明应用的设计原理和方法是相同的。

要特别强调，植物光合应用是提供植物所要吸收的光能，与人的视觉无关，植物照明应用属于光的非视觉应用，与显示照明等视觉应用有根本性的区别。在植物照明应用中，熟悉的流明、照度等概念并不适用，亮度、色度的测量仪表也不适用。