大功率LED在照明方面的應(yīng)用優(yōu)勢及最佳方案

近年來，隨著半導(dǎo)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）的開發(fā)和應(yīng)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(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度大功率LED的出現(xiàn)，使大功率LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。大功率LED照明即將引領(lǐng)未來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(dá)到50～200流明/瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。

2、耗電量少，節(jié)能：大功率LED小電流驅(qū)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：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)氧樹脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬小時(shí)。大功率LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈之苦。

4、安全環(huán)保：發(fā)熱量低，無熱輻射性，低電壓工作，冷光源，可用于一些特殊場合；無有害金屬汞，無紅外線和紫外線輻射。

5.體積和功率均小，設(shè)計(jì)靈活：能根據(jù)不同的使用環(huán)境，采用不同數(shù)量的大功率LED組合可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形狀的燈具。

6.配光容易：光色柔和，無眩光；不同波長產(chǎn)生不同彩色光，鮮艷飽和，無需濾光鏡，可以在大功率LED封裝時(shí)做成色溫不同的顏色，以達(dá)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(shù)都比較低。太陽光顯像指數(shù)為100，而高壓鈉燈的顯像指數(shù)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(shù)可達(dá)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(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益。

二、幾種典型的大功率LED應(yīng)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(yīng)用且形成規(guī)?；?。眾多的燈具廠家都在發(fā)揮各自的優(yōu)勢采用不同設(shè)計(jì)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(xiàn)應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，采用多顆支架型小功率Φ5～Φ10白光大功率LED來做光源。目前市場上有1～5W的燈泡、15～20W的管燈及40～60W的路燈、地?zé)舻染褪遣捎眠@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(qū)動(dòng)可以采用電容降壓來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)上無需考慮過多，不存在散熱問題，結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn)；但生產(chǎn)工藝復(fù)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(shè)計(jì)思路在進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時(shí)光學(xué)部分設(shè)計(jì)靈活性較大，但不同的燈具其針對(duì)性較強(qiáng)。

大功率LED光源是光強(qiáng)分布近似朗伯源的點(diǎn)光源，如果還是簡單地匯集大功率LED光源來做道路照明，則無法真正利用大功率LED冷光源的優(yōu)勢。必須通過二光學(xué)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。由于目前大功率LED的發(fā)光角度受限，半光強(qiáng)角度最大的也只能到120度，多顆組合后，雖然照度可以滿足要求，但達(dá)不到國家照明標(biāo)準(zhǔn)的均勻性要求。通過理論分析，光分布很難達(dá)到均勻。并且大功率LED光源的直向性，即使通過透鏡等光學(xué)設(shè)計(jì)也有一定的困難。

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

采用這種方案的燈具在電源驅(qū)動(dòng)可以采用開關(guān)恒流驅(qū)動(dòng)電路，效率較高，可達(dá)80%上。但燈具要有良好的散熱結(jié)構(gòu)，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(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)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，但長期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)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(dú)特的優(yōu)勢：通過不同的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流，更好地適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，提高整體發(fā)光效能，降低成本；單位面積的芯片數(shù)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單，由于多點(diǎn)發(fā)光，二次光學(xué)設(shè)計(jì)的難度大。由于一般單顆就能作到20W甚至到200W，所以對(duì)燈具的散熱要求也比較苛刻。燈具設(shè)計(jì)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有國產(chǎn)化，從國外或臺(tái)灣進(jìn)口，價(jià)格很高，而小功率芯片國內(nèi)貨源充足，組合成同樣的功率，其價(jià)格相對(duì)較低。所以通過封裝多個(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(jié)論：

通過對(duì)目前幾種大功率LED光源應(yīng)用的簡單分析，大功率LED光源用做城市道路照明系統(tǒng)作為一個(gè)新的技術(shù)，在應(yīng)用上還有許多難題，要使大功率LED照明系統(tǒng)達(dá)到道路照明要求，其中最關(guān)鍵的是相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也就是要在大面積上實(shí)現(xiàn)光照的均勻性，來滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

同時(shí)使我們認(rèn)識(shí)到要想將大功率LED廣泛的應(yīng)用到照明領(lǐng)域，除了對(duì)燈具的光學(xué)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，更重要的是將照明燈具設(shè)計(jì)中面臨的光學(xué)及散熱兩大難題需要通過大功率LED研制單位來得以改善，以共同推動(dòng)我國大功率LED照明產(chǎn)業(yè)的健康平穩(wěn)發(fā)展。