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LED灯

使用發光二極管發光的燈泡

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

 
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

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

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

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

电磁兼容性

省电

LED灯比一般家用的钨丝灯省电高60%。

应用

 
中国南京市一座建筑的夜景LED彩灯展示动态图案

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

大小与接口

部分常用灯头规格：

E14小螺丝头

E27大螺丝头

B22钉头

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[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

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

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）
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（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）

能源之星

研发

美国能源部

美国国家标准和科技机构

其他组织

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
参见：脉冲宽度调变 § 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
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

参考资料

  1. ^ How Energy-Efficient Light Bulbs Compare with Traditional Incandescents. energy.gov. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-12-23）. 
  2. ^ CFLs vs. LEDs: The Better Bulbs. greenamerica.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2016-09-09）. 
  3. ^ Lightbulb Efficiency Comparison Chart. greatercea.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-11-16）. 
  4. ^ 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）. 
  5. ^ 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
  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
  8. ^ 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
  9. ^ 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）. 
  10. ^ 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. ^ 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）. 
  12. ^ Matt. LED Grow Light Research. 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，存于互联网档案馆）," Telegraph, July 7, 2010
  14. ^ Elisabeth Rosenthal and Felicity Barringer, "Green Promise Seen in Switch to LED Lighting （页面存档备份，存于互联网档案馆）," New York Times, May 29, 2009
  15. ^ Justin Maeers, LED misrepresentations （页面存档备份，存于互联网档案馆）, May 2010
  16. ^ Integral LED Lamps Criteria Development (PDF). [2011-01-29]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-28）. 
  17. ^ 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）. 
  18. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  19. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  20. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  21. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  22. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  23. ^ 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

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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