LED灯
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LED灯是指利用发光二极管（LED）作为光源的灯，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]
单颗发光二极管的光度比传统白炽灯和省电灯泡低很多，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晶片，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比萤光灯等传统照明光源高。
技术简介
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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，或者用磷来转变光的颜色。
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（萤光粉转换白光发光二极体 (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。这个原理跟萤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
[编辑]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和电阻，以控制电压的极性和限制电流。
但这种方法会使多馀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
[编辑]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。
-
串联 -
并联 -
混合
现实电路
[编辑]额定正电压
[编辑]- 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
[编辑]省电
[编辑]LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。
应用
[编辑]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。
与萤光灯相比，LED灯不含汞、即开即亮、常开常关无损寿命，及较难打破，均比萤光灯优胜。[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
[编辑]2010年，LED灯成为了园艺界和农业的热门话题。美国太空总署率先在太空使用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，促进生长之馀，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
[编辑]大小与接口
[编辑]部分常用灯头规格：
E14小螺丝头
E27大螺丝头
B22钉头
LED灯泡
[编辑]很多LED灯均可取代螺旋式热炽灯或省电灯泡，由5-40瓦特，低功率的热炽灯，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瓦特热炽灯的光度相约[来源请求]（一般的热炽灯光效标准，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瓦特热炽灯等效的“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灯泡比省电灯泡更省电[14]，若散热合宜，寿命长达30000小时。热炽灯一般都只有1000小时寿命，省电灯泡亦只有大约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]不像萤光灯，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
[编辑]将LED封装成传统萤光灯管型式的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安定器，能源效率较高。
特殊用途
[编辑]
白光LED灯泡具高效能，在低功耗的市场（如手电筒、太阳能花园灯和行人路灯、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高强度气体放电灯（HID灯）。
先驱
[编辑]技术比较
[编辑]| 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 |
860 | 750 | 775[22] | 800 | ||
| 光效 |
14.3 | 17.4 | 55.4 | 94.1 | ||
| 色温 |
2700 | 2920 | 2700 | 2700 | ||
| 演色性 |
100 | 100 | 82 | 80 | ||
| 寿命 |
1,000 | 1,000 | 10,000 | 15,000 | ||
| 可用年数 |
0.46 | 0.46 | 4.6 | 6.8 | ||
| 20年电费 |
$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
[编辑]研发
[编辑]美国能源部
[编辑]美国国家标准和科技机构
[编辑]其他组织
[编辑]局限
[编辑]- 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。
- 演色性有待加强
- 萤光灯无法完全取代白炽灯的重要原因就是因为萤光灯演色性不佳（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萤光灯。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，萤光灯使用这种调光方式相对没有那么伤眼，因为萤光灯有馀辉效应，但是没有馀辉效应的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、偏压…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
- 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
[编辑]台湾
[编辑]- CNS 14115 - 安定器内藏式发光二极体灯泡（一般照明用）—安全性要求
- CNS 15436 - 安定器内藏式发光二极体灯泡（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 - 一般照明用安定器内藏式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
[编辑]
参考资料
[编辑]- ^ How Energy-Efficient Light Bulbs Compare with Traditional Incandescents. energy.gov. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-12-23）.
- ^ CFLs vs. LEDs: The Better Bulbs. greenamerica.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2016-09-09）.
- ^ Lightbulb Efficiency Comparison Chart. greatercea.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-11-16）.
- ^ 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）.
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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）.
- ^ Ivan Moreno, Ulises Contreras. Color distribution from multicolor LED arrays. Optics Express. 2007, 15 (6): 3607. PMID 19532605. doi:10.1364/OE.15.003607.
- ^ 11.0 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）.
- ^ Matt. LED Grow Light Research. Guru Grow Lights. 2009-07-09 [2009-11-17]. （原始内容存档于2020-11-09）.
- ^ 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
- ^ 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
- ^ Justin Maeers, LED misrepresentations （页面存档备份，存于互联网档案馆）, May 2010
- ^ Integral LED Lamps Criteria Development (PDF). [2011-01-29]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-28）.
- ^ 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）.
- ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot.
- ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017].
- ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014].
- ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017].
- ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014].
- ^ 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
[编辑]- Light Emitting Diodes, Second edition （页面存档备份，存于互联网档案馆） by E. F. Schubert (Cambridge University Press, 2006) ISBN 0-521-86538-7
外部链接
[编辑]
- e-lumen.eu – a website from the European Commission about the second generation of energy-saving lightbulbs
- Notes on LEDs （页面存档备份，存于互联网档案馆）, gizmology.net
- LED Wall Washer Lights, wispuled.com
- U. S. Department of Energy, Using Light Emitting Diodes
- U. S. Department of Energy, Solid-State Lighting GATEWAY Demonstration Results
- Detailed spectra plots, of hundreds of LEDs etc, ledmuseum.home.att.net
- Efficient LED lighting in conjunction with low-voltage domestic solar PV and mains （页面存档备份，存于互联网档案馆）, earth.org.uk
- "Fans of L.E.D.'s Say This Bulb's Time Has Come" （页面存档备份，存于互联网档案馆） New York Times, July 28, 2008
