LED光源的应用与发展

卫 蕊，郭梦娇

西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043

0 引言

LED光源能够发出多种光，能产生不同的亮度。在不同的工作环境下，LED光源可以产生超高、高、普三种不同的亮度，也可以发射可见光和不可见光[1]。通常，节能型LED的单管驱动是直流电源，工作功率为0.03～0.06 W，所需的电源消耗很少；LED响应快，工作电压一般为1.5～35 V，电流为15～18 mA，电转光效率为100%。目前，市场上的LED光源成本较高，但具有低辐射，不含紫外线、红外线，无污染，防眩晕等优点，因此成为新一代光源。LED光源作为21世纪极具价值的新光源，逐渐取代日光灯、白炽灯，占据照明市场领先地位，实现了照明技术的革新[2]。

1 LED光源的发展历程

1.1 指示应用阶段（20世纪80年代前）

1965年，商用化LED光源开始生产。1968年，开始利用氮掺杂工艺研发LED光源，器件效率提升了1 lm/W，可呈现多种光，如橙光、黄光与红光。期间，我国第一批LED逐步朝着市场迈进。1971年，推出绿色晶片LED光源[3]。

（1）1907年，英国科学家Henry Joseph Round在碳化硅中观测到了电致发光，但是其黄光太暗，很难应用到实际中，于是舍弃了研究。随后，德国科学家Bernhard Gudden和Robert Wichard从锌硫化物、铜内提取得到发光黄磷，但由于发光暗淡，也放弃了使用。1936年，法国科学家George Destiau在报告中讲明，硫化锌粉末可以发射光线。随着电流的应用与理解，“电致发光”一词终于出现。20世纪50年代，英国科学家使用半导体砷化镓在电致发光实验中发明了第一颗LED，其于20世纪60年代进入市场。第一款商用LED光源无法发出不可视红外光，但在感应和光电探测领域应用迅速[4]。

（2）1968年，开始在砷化镓上应用磷化物掺杂，具有商业价值的LED问世。磷掺杂工艺可提升LED发光效率，提升红光的明亮度，甚至可以产生橘黄色的光。当时，选择的材料为砷磷化镓（GaAsp），发出的红光的波长为650 nm，驱动电流为20 mA，光通量较小，发光效率为0～1 lm/W左右，是白炽灯的1/100[5]。

（3）1970年中期，磷化镓开始应用在发光光源中，且将元素铟（In）和氮（N）引入，LED光源可产生绿光。产生的绿光的波长为550 nm、黄光的波长为590 nm、橙光的波长为610 nm，光效可提升1 lm/W。这一时期，LED在文字点阵显示器、背景图案灯栅、条纹图阵列等中应用，多为电子产品指示灯。

1.2 信号与显示阶段（20世纪80年代）

20世纪80年代早中期，人们开始在LED光源的制造中使用砷化铝镓（AGaAs）材料，提升了红光光效，量级为10 lm/W。LED光源开始应用到户外运动信息发布系统、条码系统与光电传导、医疗设备领域。

20世纪80年代后期至20世纪90年代初期，金属有机化学气相沉积（MOVCD）外延技术愈发成熟。1990年，借助Al、In、Ga、P元素构建得到四元材料LED光源，可呈现橙黄色、黄色、绿色、红色等颜色的光。对比标准器件，这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，其发光效率为0.04 lm/W，发光强度≥15 MCD。这一阶段，LED光源除用于户外显示，还应用于红绿灯、汽车信号灯等领域[6]。

1.3 全彩应用及普遍照明阶段（20世纪90年代—21世纪初）

1991—2001 年，随着材料、技术及芯片的发展，LED迈入了高速发展时期，商用化LED光源的光通量提升了20倍之多。

1994年，日本科学家中村秀二利用GaN基底开发出了蓝光LED。同年，日本日亚公司开发出了蓝色超高亮度LED光源，彩色显示屏内的基色LED光源包括蓝、绿、红、黄、橙，发光强度达到了Candra级别，实现了全色化、超高强度化，得到了LED光源全彩色室外显示屏。自此，红、绿、蓝全彩动感大屏显示技术的应用得到了快速发展，也为白光LED的发展打下了基础。白光不是波长单一的光，而是复合光，白光LED在多波长领域得到了广泛应用。1997年，日本日亚公司借助GaN蓝色LED激发黄光荧光粉，开发出了第一颗白光LED。虽然其效率仅为10 lm/W，但意味着LED进入了普通照明时代。1998年，飞利浦公司选择大尺寸芯片，封装了1 W级别的大功率器件，LED光源朝着普通照明领域持续迈进。

随后几年时间内，白光LED发展迅速。2000年，日亚公司开发出了15 lm/W的白光LED；2003年，日亚公司开发出了光效为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的光效为130 lm/W；2006年11月，日亚公司开发的白光LED的光效为150 lm/W，效率获得了显著提升。

2 LED光源的应用优势

LED光源本质上是能够把电能转换成光能的半导体二极管，其应用优势如下：（1）光效可达50～200 m/W，光源的单色性较强，光谱较窄，无须过滤，可直接发出彩色光[7]；（2）能源消耗较少，光源功率一般为0.03～0.06 W，在相同情况下，耗电量仅为荧光灯的一半；（3）响应速度快，能够很好地适应高频工作；（ 4）寿命长（使用寿命达100 000 h），体积小，质量好，包装材料采用环氧树脂，能经受强烈的机械振动；（5）安全性高，作为低温光源，LED的发热率很低，不会产生热辐射，能够实现光线角度、形状的控制，光线较柔和，不会产生刺眼的光线，不会产生钠、汞等有害物质；（6）对环境友好，LED废料能高效循环利用，不会造成环境污染，安装和维修方便。

3 LED光源的应用策略

3.1 加强LED光源和景观设计的结合

城市夜生活需要灯光的支持，基于此，建筑外立面的亮化施工已成为现代都市建设的重要内容。目前，建筑外立面的灯光形式分泛光照明和内部采光两种。泛光照明是利用LED光源在建筑物的一定距离内形成一种漂浮在灯光下的照明效果，埃菲尔铁塔、巴黎圣母院、凯旋门等著名夜景建筑都采用了泛光照明；内部采光在很多地方都有使用，如大楼的外墙。在室内和室外灯光的衬托下，建筑更具表现力，同时也便于日常的维护。

在灯光规划中，要注意灯光的整体协调，灯光要与景观建筑相结合，而不能只是附属。LED与景观设计的结合会对灯光效果造成影响，加强二者的组合，能够提升景观的视觉效果。有关部门应加强对设计的关注，提高设计质量；设计人员要组织专家根据景观地理位置、亮点、需求等，进行数据整理分析，为后期设计提供资料支撑，为景观和光源的结合奠定基础。同时，需要加强与景观部门的沟通交流，加强景观与照明设计的互动，借助网络仿真技术动态化调整灯光设计方案，提升方案实用性。在具体的施工中，设计人员要加强监督，保证光源的安装完全按计划进行，在光源的调试过程中，如果出现不合格的情况，则要进行相应的整改。

3.2 重视LED光源的色彩设计

在LED光源的应用中，颜色的使用起到举足轻重的作用，有关部门要注重LED的使用。需要引入专业技术人员，充实设计队伍，提出专业意见，提高光源颜色的设计水准。还可以根据公众的意见和反馈，根据公众的审美观丰富设计的内容。在保证基本照明需求的基础上，从宏观上考虑建筑装饰的美感，从微观上考虑灯光与景观的协调，以防止灯光不均匀、色彩不均匀等问题。同时，在灯光设计上讲究艺术，发挥灯光设计长处，创造动态的立体感，充分利用光源的动态渐变、间明停留、交错演变、移动交换、切割重组等变化方式，将人的视觉停留效果运用到极致，突出光源的色彩，给人以视觉上的享受。

3.3 提升LED光源的制作水平

有关部门应加强与照明厂商的沟通，依照设计方案制定光源，以此提升LED光源的景观效果，取得“1+1＞2”的效果。厂商应持续引进国外的先进技术，加强LED光源的生产，降低LED光源的使用量和维护费用，从而推动LED光源的推广。

3.4 合理选择LED光源的风格

LED光源要根据实际情况进行合理设计。在不同的文化和城市环境中，LED光源的色彩选择、安装方案有不同之处。在实施灯光规划时，应根据当地的具体情况，结合当地的特点，全面掌握灯光的安装方案，使LED光源的优点和特性得到最大限度的发挥。例如，在设计时，根据调查结果，LED光源箱可以采用塑料框架和雕花面板。如此设计出来的LED光源更具艺术表现力，借由外部电路的适当控制，可以使灯箱呈现多种色彩，成为一种成功的灯饰艺术。

3.5 贯彻节能理念

LED节能照明光源具有耗电少、寿命长、光效高、易控制、安全性高、免维修等应用优势，是目前国际市场中应用范围最广、利用率最高的一种现代化冷光源。与传统的节能灯相比，更加节省电量，照明效率更高，亮度更大，投光更远，且性能更强，使用电压范围更广。LED节能照明光源借助微电脑控制器，可实现光源色彩的自由转换，色彩艳丽且光色柔和，在节能的同时更加美观和绿色环保。

4 LED光源的发展前景

4.1 智能化

LED光源价格高于传统光源，这是阻碍其进入市场的一个障碍。此外，产能过剩也造成了市场竞争的白热化。高亮度LED光源的出现，推动了照明市场的发展，LED智能控制器的出现，更是成为推动市场发展的动力。高亮度产品的设计师面临较多的挑战，如散热管理、拓扑架构设计、驱动方案设计、基础设施设计等。随着LED光源的智能化发展，未来的LED光源可以进一步提升光效。其中，应用于汽车智能照明属于LED光源的主流发展趋势。智能化LED光源可按照需求调节灯光的明暗程度，可实现灯光色温调节和场景的定时控制，可满足个性化与舒适化的需求，保障灯光安全。

LED光源照明产业将朝着智能化方向发展，在灯具的生产过程中，将引入传感器和智能化控制方案，通过调整操作方式，可切实满足用户需求。在物联网技术下，LED光源具备照明、安防、消防、温控与人测等功能，在楼宇管家系统内得到广泛应用。这些功能的实现，依赖于LED光源与PC和Internet的连接，可以满足便携式需求，在云控制、数据采集、处理储存上，通过iOS或Android系统，LED光源能够与家庭局域网实现远程连接，实现对照明设备的实时控制。

4.2 节能化

LED节能光源的特征决定了在未来，其将取代传统照明光源，有着十分广泛的用途和发展空间。

LED光源实质为小芯片，芯片中是由计算机系统构成的指令程序。经过技术人员的精密处理，LED光源被封装在环氧树脂中，体积非常小，且重量非常轻。

LED节能光源的耗电率较低，常见的LED节能光源的正常工作电压为2～3.6 V，工作电流为0.02～0.03 A。也就是说，LED节能光源的功率不到0.1 W。

LED节能光源的发光效率高达130 lm/W以上，而且随着使用年数的增长，LED的光效随之增加，甚至可达240 lm/W。光效高代表LED光源的节能率高，从LED照明光源的实际测试数据结果来看，一颗8 W的LED光源可以替代一颗32 W的传统光源，而且光效相同。

5 结束语

综上所述，随着我国照明技术的蓬勃发展，我国大力提倡环境保护、节能减排理念，这在一定程度上推动了LED光源的发展与应用。在具体应用中，要求相关人员不仅要充分掌握LED照明的应用要求，还要注重照明效果与灯具的合理布置，确保LED光源的优势在不同场合得到充分发挥。