照明的革命：探討照明技術(shù)細節

白熾燈曾被稱(chēng)為基本上是電力空氣加熱器，而燈光僅僅是一種副產(chǎn)品。它們效率很低，浪費了95%的電能。根據國際能源機構的統計，所有能源的20%用于照明（2006年6月），而其中有一半的能源被浪費。

照明正在經(jīng)歷一場(chǎng)革命，這場(chǎng)革命在20世紀60年代General Electric發(fā)明可見(jiàn)光譜LED和隨后在20世紀70年代發(fā)明節能燈（CFL）的時(shí)候就已經(jīng)開(kāi)始了。從那以后，各種各樣的燈具開(kāi)始流行，而且都具有更高的發(fā)光效率（請參見(jiàn)圖1）。由于對能源的需求降低，較高的效率減少了生產(chǎn)成本和污染，從而就減少了溫室氣體的排放。但是能源效率僅僅是推動(dòng)這場(chǎng)革命的四個(gè)因素之一；另外三個(gè)因素是美學(xué)，壽命和靈活性。

流明每瓦：白熾燈，A-line鹵素燈，白光LED，水銀蒸汽燈，直管熒光燈，緊湊型熒光燈，高壓鈉燈，金屬鹵化物燈

圖1：燈具效率（源自：Madison Gas Electric）

燈具比較

高強度放電（HID）燈是優(yōu)秀的發(fā)光設備。水銀蒸汽燈，高壓鈉燈和金屬鹵化物燈就屬于這種類(lèi)型，但是因為水銀燈含有水銀，因此并不受歡迎。盡管高壓鈉燈燈光偏向橙色，但是由于其具有最優(yōu)良的發(fā)光特性，因而仍然頗受青睞。雖然這種顏色接近于我們視覺(jué)最敏感的中心區域，只需要消耗較少能量就能有清晰的照明效果，但是在某些情況下仍然不盡人意，比如閱讀的時(shí)候。這就是它們最常用于街道和公路照明的原因。而金屬鹵化物燈盡管能發(fā)出明亮的白光，卻不如鈉燈效率高。

熒光燈在全世界的辦公樓中作為照明工具。它們具有很長(cháng)的壽命，是白熾燈壽命的十倍。但是它們仍然發(fā)出“有色”的燈光，人們抱怨稱(chēng)其可能會(huì )引發(fā)從偏頭痛到癲癇之類(lèi)的疾病，并且它們產(chǎn)生讓人討厭的閃爍。盡管現在幾乎所有的鎮流器都是電子器件，從實(shí)質(zhì)上消除了閃爍問(wèn)題，但是仍然有許多老式鎮流器正在使用。關(guān)鍵是人們要對光線(xiàn)敏感并且關(guān)系這個(gè)問(wèn)題。

璀璨的LED

歸功于巧妙的摻雜技術(shù)，LED現在已經(jīng)能夠發(fā)出整個(gè)可見(jiàn)光譜的光線(xiàn)了，而紫外和紅外的部分則更少。LED能夠發(fā)出任何其他燈具所發(fā)出的燈光顏色，并且LED的壽命比白熾燈高50倍。（請參見(jiàn)圖2）。50倍的壽命意味著(zhù)您可以在同一盞燈下面工作21年（每天8小時(shí)，午飯1小時(shí)，每周5天）！LED是固態(tài)的，沒(méi)有燈絲斷開(kāi)的情況，因而具有抗震性能。

大功率LED方案的一個(gè)弱點(diǎn)是它們較高的實(shí)現成本。多組緊湊排列的LED才能與HID燈的發(fā)光強度相等，并且盡管LED具有高效率，但是它們會(huì )產(chǎn)生熱量，必須進(jìn)行散熱。一些大功率LED行業(yè)專(zhuān)家將發(fā)熱問(wèn)題視為所有問(wèn)題中最困難的挑戰。諸如Papst，NMB，Aavid，Wakefield和Sanyo Denki等公司都在提供散熱方案，然而散熱系統意味著(zhù)成本增加。

大功率LED

大功率LED的相對優(yōu)勢正在推動(dòng)更多的應用，使得用量更大，因而建立更大規模，更低成本的經(jīng)濟結構。例如，與電視背光應用一樣，照相機中的閃光燈和自動(dòng)對焦已經(jīng)實(shí)現大功率LED的應用。來(lái)自National Semiconductor的LP55271閃光燈控制器，Fairchild的FAN5614驅動(dòng)器和ON Semiconductor的NCP5010集成背光驅動(dòng)器能提供完整的解決方案，減少了器件的數量。

大功率LED本身就具有安全性。它們通過(guò)低電壓工作，觸摸時(shí)通常溫度較低。因為有了大功率LED，才讓2008年北京奧林匹克運動(dòng)會(huì )開(kāi)幕式展示了絢麗多姿的一幕。

使用大功率LED可以生產(chǎn)體積更加小巧的照明設備。我現在撰寫(xiě)這篇文章的筆記本電腦在機殼下方就有一個(gè)白光LED用于鍵盤(pán)照明。大功率LED具有靈活性，并且是唯一一種同時(shí)具有節能，美觀(guān)，壽命長(cháng)等特點(diǎn)的燈具。

Cree，Philips Lumileds，Osram Opto Semiconductors，Avago和Optek是大功率LED的主流制造商。CML Innovative Technologies和Dialight Lumidrives是大功率LED封裝的領(lǐng)導廠(chǎng)商，提供燈管，光學(xué)引擎和巧妙的封裝選擇 – 其中一些封裝方式帶有能與標準白熾燈插座相匹配的基座。

數學(xué)換算

某些LED數據手冊用坎德拉（cd）作為光輸出單位，而有些則使用流明。 坎德拉是發(fā)光強度的國際標準單位。而發(fā)光強度是亮度的度量標準。流明（lm）是光通量的國際標準單位 – 即接收到的光能量。如果一個(gè)光源被某些不透明物體阻隔了一半的光亮，則其光通量只有全部發(fā)光量的一半，而發(fā)光強度并沒(méi)有改變。

為了對比LED和其他燈具，您可能不得不在 坎德拉和流明之間進(jìn)行轉換。所使用的公式是：
1 lm = 1 cd ? sr
sr是球面度的簡(jiǎn)寫(xiě)。一個(gè)球體的球面度就相當于一個(gè)圓圈的弧度。

想象一個(gè)半徑為I的球體中心有一個(gè)LED燈。該LED燈將發(fā)出一束錐形的光，照亮球體內一個(gè)弧形蓋的形狀。這種形狀實(shí)際上稱(chēng)為“球冠”。該球冠的面積除以整個(gè)球體的面積再乘以4π即所需的球面度值。球冠的面積通過(guò)以下公式計算：
球冠面積 = πh (3a2 + h2)/6

圖2：燈具壽命

文章中的圖片顯示了一個(gè)球體中的h和a值。要求得a值就需要知道光源的視角和一些三角學(xué)知識。視角可在數據手冊中找到，但是您需要謹慎使用這些數據；該公式假定了一個(gè)具有理想邊緣的圓錐，當然在實(shí)際上并非如此。

現代照明方案需要使用各種各樣的電子器件。這可能是白熾燈唯一的好處 – 它們很簡(jiǎn)單并且不需要鎮流器。

LED和鎮流器

鎮流器對燈具中的電流進(jìn)行控制，而任何不能限制其自身電流的燈具都需要一個(gè)鎮流器。鎮流器最初由被動(dòng)器件組成，包括Cornell Dubilier，Vishay，Ohmite，Rohm和Weilwyn在內的供應商正在不斷創(chuàng )新，以使這些器件能夠承受增加的熱量，并且使用無(wú)害材料和達到更小的體積。但是現代鎮流器也包含了來(lái)自International Rectifier，Farichild，ON Semiconductor，Allegro，Zetex，Exar和Micrel的半導體分立器件。

您也許會(huì )驚訝LED也需要鎮流器，否則過(guò)高的電流會(huì )損壞LED。采用高于LED的VF的電壓會(huì )造成損壞，因此可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻作為鎮流器。這種方法再電流較小的時(shí)候很有效，比如用于電路板級的指示燈LED，但是大功率LED需要大功率的電阻，這就極大的降低了節能效率。半導體公司用主動(dòng)器件來(lái)調整LED電流，從而允許電壓變化并且去除了大功率電阻。

當大功率LED以燈組的形式替代主要由高電壓供電（例如電線(xiàn)電壓）的白熾燈時(shí)，串行連接是可行的。串行連接的優(yōu)點(diǎn)是LED具有完美的色彩和強度一致性。Linear Technology，International Rectifier，National Semiconductor，Texas Instruments，Maxim，Micrel，Allegro，Intersil和STMicroelectronics都在設計LED鎮流器方案（aka驅動(dòng)器）。Texas Instruments的TLC5928就是這種器件。

連接和控制

LED的可靠性使串行連接成為一種可行方案。只要是用白熾燈燈帶裝飾過(guò)圣誕樹(shù)的人都知道，要找到一個(gè)燒壞的燈泡是多么困難。盡管LED已經(jīng)有了幾十年的歷史，但是仍然需要設計巧妙并且可靠的機械連接，比如由Tyco和Molex提供的方案。

色彩控制器諸如Cypree Semiconductor的EZ-Color? HB LED控制器和Avago的ADJD-J823為大功率LED提供最終方案。盡管任何微控制器都具有這種功能，但Cypress和Avago為多個(gè)彩色LED的色彩控制設計了專(zhuān)門(mén)的解決方案，能夠發(fā)出任何一種顏色或混合顏色的光，并且提供所有范圍的發(fā)光強度。

如果要在不同強度和溫度情況下保持色彩穩定，就必須精確控制電流。當燈光被調暗時(shí)色彩調整會(huì )變得困難。色彩控制器包含了溫度和光反饋傳感器。比如Avago的ADJD-S311-CR999色彩傳感器能夠反饋色彩信息。這些器件包含了三個(gè)色彩傳感器，就像我們的眼睛，并且提供一個(gè)開(kāi)發(fā)工具：HDJD-JD07。