LED灯

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]

各种已推出市场的LED灯泡，用以取代传统灯泡的螺口灯座，包括泛光灯（左和左上）、一般家用灯（中偏右和下）和低功率的装饰灯（右）。

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芯片，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设备后，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
配以LED灯的轻钢架天花板

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管 (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，而且会减低性能。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

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。

但这种方法会使多余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

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
    串联
  • 并联
    并联
  • 混合
    混合

额定正电压

物理条件：Ta＝25℃ If＝20mA[6][7]。

  • 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

省电

LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。

应用

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

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，促进生长之余，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

LED灯泡

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（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

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
LED电筒灯泡（左），可取代同款热炽灯（右）

白光LED灯泡具高性能，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）。

技术比较
灯泡性能与开支比较（美国电价，相当于60瓦白炽灯亮度）
[18] 卤素灯[19] [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（流明） 860 750 775[22] 800
光效（流明/瓦特） 14.3 17.4 55.4 94.1
色温（开尔文） 2700 2920 2700 2700
演色性（CRI） 100 100 82 80
寿命（小时） 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年数（每天6小时） 0.46 0.46 4.6 6.8
20年电费（0.11美元/KWh） $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）

研发

局限
  • 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。
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）。目前中低级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仿真。
  • 容易有无法察觉但很伤眼的低频闪烁
参见：脉冲宽度调制 § 亮度调节
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，因为萤光灯有余辉效应，但是没有余辉效应的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，尤其是中低级的大功率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
2017年，台湾云林县道路两旁的LED路灯，因照明过亮、时间过长，衍生光害危机，令作物误将冬季以为夏季，以至于稻子不结穗、包心白菜不会包、玉米又高又粗但不结果、菠菜茎只抽高、不长叶子。[23]
  • 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

台湾
  • CNS 14115 - 安定器内藏式发光二极管灯泡（一般照明用）—安全性要求
  • CNS 15436 - 安定器内藏式发光二极管灯泡（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

参考数据
  1. . energy.gov. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-12-23）.
  2. . greenamerica.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2016-09-09）.
  3. . greatercea.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-11-16）.
  4. . forbes.com. [31 August 2016]. （原始内容存档于2021-01-12）.
  5. myledlightingguide.com, "Specifications of LED high bay lights," （页面存档备份，存于）, Updated September 2010
  6. 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
  7. 谷腰欣司着『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
  8. Consumersearch.com, " Light Bulbs: Full Report," LED light bulb （页面存档备份，存于）, Updated June 2009
  9. Ivan Moreno, Maximino Avendaño-Alejo, and Rumen I. Tzonchev. (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）.
  10. Ivan Moreno, Ulises Contreras. . Optics Express. 2007, 15 (6): 3607. PMID 19532605. doi:10.1364/OE.15.003607.
  11. Adam. . Commercial LED Lights. 2021-03-19 [2021-03-24]. （原始内容存档于2021-03-23）.
  12. Matt. . Guru Grow Lights. 2009-07-09 [2009-11-17]. （原始内容存档于2020-11-09）.
  13. Sarah Lonsdale, "Green property: energy-efficient bulbs （页面存档备份，存于）," Telegraph, July 7, 2010
  14. Elisabeth Rosenthal and Felicity Barringer, "Green Promise Seen in Switch to LED Lighting （页面存档备份，存于）," New York Times, May 29, 2009
  15. Justin Maeers, LED misrepresentations （页面存档备份，存于）, May 2010
  16. (PDF). [2011-01-29]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-28）.
  17. Taub, Eric; leora Broydo Vestel. . New York Times. 2009-09-24 [2010-02-06]. （原始内容存档于2020-11-30）.
  18. . Home Depot.
  19. . Home Depot. [5 March 2017].
  20. . [20 January 2014].
  21. . Home Depot. [12 March 2017].
  22. (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014].
  23. . [2017-01-03]. （原始内容存档于2019-06-17）.

延伸阅读

外部链接
维基共享资源上的相关多媒体资源：LED灯
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