大功率LED在照明方面的應用優(yōu)勢及最佳方案

近年來(lái)，隨著(zhù)半導體發(fā)光材料研究的不斷深入，大功率LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開(kāi)發(fā)和應用，各種顏色的超高亮度大功率LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率得到了迅猛提高，色度方面已實(shí)現了可見(jiàn)光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度大功率LED的出現，使大功率LED應用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。大功率LED照明即將引領(lǐng)未來(lái)第四代光源的跨越式革命。

一、大功率LED用作燈具光源的性能特點(diǎn)

1、發(fā)光效率高：大功率LED經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，發(fā)光效率得到了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12－24流明/瓦，熒光燈50～70流明/瓦，鈉燈90～140流明/瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。大功率LED的光效經(jīng)改良后可達到50～200流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。

2、耗電量少，節能：大功率LED小電流驅動(dòng)，低電壓工作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的十分之一，熒光燈管的二分之一。

3、使用壽命長(cháng)：采用大功率LED光源的燈具體積小、重量輕。大功率LED光源環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達10萬(wàn)小時(shí)。大功率LED燈具使用壽命可達5～10年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經(jīng)常換燈之苦。

4、安全環(huán)保：發(fā)熱量低，無(wú)熱輻射性，低電壓工作，冷光源，可用于一些特殊場(chǎng)合；無(wú)有害金屬汞，無(wú)紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)輻射。

5.體積和功率均小，設計靈活：能根據不同的使用環(huán)境，采用不同數量的大功率LED組合可以設計不同結構形狀的燈具。

6.配光容易：光色柔和，無(wú)眩光；不同波長(cháng)產(chǎn)生不同彩色光，鮮艷飽和，無(wú)需濾光鏡，可以在大功率LED封裝時(shí)做成色溫不同的顏色，以達到實(shí)際需要的照明效果。

目前使用的高壓鈉燈發(fā)光顏色為黃色，色溫及顯像指數都比較低。太陽(yáng)光顯像指數為100，而高壓鈉燈的顯像指數僅為20左右（黃光）；大功率LED光源照明燈的色溫可以在4000-7000K之間靈活選擇，顯像指數可達80以上，燈具發(fā)光顏色更接近于自然光。

7.前期投資較大：受封裝工藝的限制，大功率LED光源要比傳統光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節能凈收益。

二、幾種典型的大功率LED應用方案：

目前，以白光大功率LED做為光源的手電筒和礦燈已得到了廣泛理想的應用且形成規?；?。眾多的燈具廠(chǎng)家都在發(fā)揮各自的優(yōu)勢采用不同設計方案，以期白光大功率LED光源在隧道燈，路燈等方面有所突破?，F應用較多的有以下三種方案：

1. 多顆小功率支架大功率LED型：燈具設計時(shí)，采用多顆支架型小功率Φ5～Φ10白光大功率LED來(lái)做光源。目前市場(chǎng)上有1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、地燈等就是采用這種方案。一般使用了幾十到幾百顆Φ5～Φ10白光大功率LED，陣列式排布，電源驅動(dòng)可以采用電容降壓來(lái)實(shí)現。設計上無(wú)需考慮過(guò)多，不存在散熱問(wèn)題，結構上很容易實(shí)現；但生產(chǎn)工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且如果做路燈等大型燈具亮度不夠理想。

2.大功率LED基座型：在一些公共照明方面，如路燈、隧道燈，可以采用幾顆甚至多顆大功率LED基座型作為燈具光源。這種設計思路在進(jìn)行燈具設計時(shí)光學(xué)部分設計靈活性較大，但不同的燈具其針對性較強。

大功率LED光源是光強分布近似朗伯源的點(diǎn)光源，如果還是簡(jiǎn)單地匯集大功率LED光源來(lái)做道路照明，則無(wú)法真正利用大功率LED冷光源的優(yōu)勢。必須通過(guò)二光學(xué)設計才能實(shí)現。由于目前大功率LED的發(fā)光角度受限，半光強角度最大的也只能到120度，多顆組合后，雖然照度可以滿(mǎn)足要求，但達不到國家照明標準的均勻性要求。通過(guò)理論分析，光分布很難達到均勻。并且大功率LED光源的直向性，即使通過(guò)透鏡等光學(xué)設計也有一定的困難。

這種燈具設計時(shí)，如果不加反光罩，一部分直射光會(huì )勢必造成浪費。即使反光罩設計時(shí)如何調整角度，經(jīng)反射后光帶總會(huì )存在，這也是目前困擾其應用的主要障礙。

采用這種方案的燈具在電源驅動(dòng)可以采用開(kāi)關(guān)恒流驅動(dòng)電路，效率較高，可達80%上。但燈具要有良好的散熱結構，才能保證燈具的使用壽命。

用基座型大功率LED做光源的燈具其價(jià)格比白熾燈、日光燈、節能燈要高得多，但它的節能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果用在路燈上，其一次性投資較高，但長(cháng)期的節電效果及經(jīng)濟性都是值得期待的。

3.單顆或者幾顆多芯片集成型

多芯片集成型白光大功率LED具有獨特的優(yōu)勢：通過(guò)不同的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現各種不同的額定電壓和電流，更好地適應驅動(dòng)器設計，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數可多可少，可以封裝成各種不同的點(diǎn)和面光源。

這種燈具安裝工藝簡(jiǎn)單，由于多點(diǎn)發(fā)光，二次光學(xué)設計的難度大。由于一般單顆就能作到20W甚至到200W，所以對燈具的散熱要求也比較苛刻。燈具設計時(shí)靈活性不大，受芯片局限性大。

由于大功率LED芯片到目前為止還沒(méi)有國產(chǎn)化，從國外或臺灣進(jìn)口，價(jià)格很高，而小功率芯片國內貨源充足，組合成同樣的功率，其價(jià)格相對較低。所以通過(guò)封裝多個(gè)小功率芯片組合成集成型白光大功率LED，用做燈具光源具有價(jià)格上的優(yōu)勢。

三、結論：

通過(guò)對目前幾種大功率LED光源應用的簡(jiǎn)單分析，大功率LED光源用做城市道路照明系統作為一個(gè)新的技術(shù)，在應用上還有許多難題，要使大功率LED照明系統達到道路照明要求，其中最關(guān)鍵的是相關(guān)的光學(xué)系統設計，也就是要在大面積上實(shí)現光照的均勻性，來(lái)滿(mǎn)足國家標準的要求。

同時(shí)使我們認識到要想將大功率LED廣泛的應用到照明領(lǐng)域，除了對燈具的光學(xué)及結構進(jìn)行優(yōu)化設計外，更重要的是將照明燈具設計中面臨的光學(xué)及散熱兩大難題需要通過(guò)大功率LED研制單位來(lái)得以改善，以共同推動(dòng)我國大功率LED照明產(chǎn)業(yè)的健康平穩發(fā)展。