LED节能灯的设计探究

摘 要 通过分析传统的一些照明灯具的原理，对比各种灯具之间的差异，得出LED节能灯的工作特点，进而针对实用性从各个不同的方面论述LED节能灯的节能可靠性，最后利用单片机将LED节能灯连接起来实现节能的设计过程。

关键词 节能减排；LED节能灯；单片机；灯具

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）042-032-01

目前，由于我国各地域人口分布不均匀造成节能减排的宣传工作不够深刻和全面，进而能源的浪费现象普遍存在，据统计我国每年能源浪费量足以维持我国1/3以上的工业部门运行一年。若能能减少这一部分能源的浪费，并输送给西部将能缓解能源的突出问题。我国人口众多，在照明上浪费的电能占浪费能源的绝大多数的比重。所以解决能源浪费的切入点从照明上入手能取得较大的成效。

1 各灯具发光原理

1.1 白炽灯的发光原理

白炽灯是由发光用的金属钨丝与电源相接，同时为了防止钨丝被空气氧化而用玻璃器具将其隔离形成灯泡，在灯泡内部一般将空气抽出形成真空或者在其内部充入惰性气体。白炽灯的工作原理是将电能转换成光能同时伴随着热能的释放，工作过程是电能通过导线传输到灯泡内部的钨丝上，电能被转换成热能，将钨丝加热到非常高的温度。在这个过程中由于温度比较高就会激发钨丝元素原子的核外电子，使得这些电子变得更加活跃向较高能量的外层跃迁，当电子再次向内层电子移动时能量就会被释放，释放的形式主要是以光电子的形式释放即光的形成。

1.2 日光灯的发光原理

日光灯管实际上就是一根玻璃灯管，在灯光两端安装上灯丝，同时在内壁涂有一层均匀的荧光粉，日光灯管内充入少量的惰性气体和水银蒸汽，灯光两端装有由钨丝制作而成的灯丝，灯丝表面涂有容易激发电子的氧化物。当钨丝上有电流流过时，灯丝受热就会在灯管内发射电子，随着温度的上升，水银就会汽化蒸发。在这个过程中，只要在灯管两端加上合适的电压，日光灯管内的惰性气体就会出现电离的情况，进而管内的惰性气体就有放电情况过渡到水银蒸汽放电的过程。在这个过程中，管内的气体是可以导电，气体导电时发出不可见的紫外线光，照射在管内的荧光粉上时，产生可见光。

1.3 普通节能灯的工作原理

普通型节能灯实际上就是日光灯的升级版灯具，它是一种紧凑型、自带整流器的日光灯。工作原理是在灯亮时电流通过电子镇流器给灯丝加热，灯丝在两端就会发射电子，电子处于活跃状态会在管内和惰性气体相碰撞，这些惰性气体进过碰撞之后重新获得能量进而与汞原子碰撞，同理汞原子碰撞获得能量后产生电离，电离产生的紫外线照射在荧光粉上，使得管壁内部的荧光粉发出可见光。

1.4 LED节能灯的工作原理

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，主要是由Ⅲ—Ⅳ族化合物制作而成，发光二极管的核心部分是由P型和N型半导体组成晶片的过渡层—PN结。所以，它具有P-N结的电压电流特性即正向导通、反向截止和击穿特性。同时还具有一些独特的性质即在一定的条件下具有发光特性，发光的原理主要是在正向电压情况下，电子由N区注入P区相反空穴由P区注入N区，在这个过程中注入的少数载流子会与多数载流子复合，复合时会将剩余的能量以光子的形式释放出来，从而实现了将电能转换为光能的过程。

2 各灯具的特点比较

2.1 白炽灯的特点

1）白炽灯发光的同时伴随着大量热能的损失，消耗的电能较多，发光效率较低。2）由于工作时伴随着大量的热能产生，内部灯丝的寿命比较短同时由于灯泡是玻璃制品在运输不方便容易破碎。3）白炽灯发出光的颜色比较单一，适用性不强，受电压影响比较大。

2.2 日关灯的特点

1）部件较多，任何一个部件不能够正常工作时都会影响日光灯的工作情况，所以故障几率大。2）日光灯的灯丝相比白炽灯，工作温度更低，所以成本较大，但是寿命相对较长。3）功率受到限制，不能做太大因此一般只能适用于一般家庭适用场合不大。4）日光灯发光是闪烁的会出现频闪的现象，长期处在这种环境下眼睛会出现疲劳，增大事故发生的可能。

2.3 普通节能灯的特点

1）由于灯管内部有汞，汞是一种具有剧毒的物质，在生产过程和使用中容易产生汞污染。2）易碎品，在运输和安装过程中有一定的难度。3）综合起来不省钱。

2.4 LED节能灯的特点

1）LED发光过程中没有产生额外的热能，光电转换效率理论上达到100%减少了传统灯具发光过程中产热环节因此节省了很大的电能。2）发光二极管可以工作在高速状态下，普通的灯具如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很容易烧毁。3）二极管采用固态的封装，对于安装和运输都及其方便，工作寿命长。

3 家用节能的验证

举例：1.0 m的普通日光灯与1.0 mLED节能灯2年的消费情况对比。

假若每天照明工作要进行15小时，普通日光灯的使用寿命平均为2年，LED节能灯平均工作寿命为6年，经过调查12 W的LED节能灯光照强度与60 W的普通日光灯相当。电费按照1元/千瓦时，每天使用50只。日光灯的成本为15元/只，LED节能灯100元/只。所以有以下对比。

3.1 一年后的电费对比

1）普通日光灯：365*15*0.06*1*50=16425元。

2）LED节能灯：365*15*0.012*1*50=3285元。

3.2 2年后的电费对比

1）普通日光灯：16425*2=32850元。

2）LED节能灯：3285*2=6570元。

3.3 使用维修费

1）普通日光灯：300元。

2）LED节能灯：0元。

3.4 总费用对比

1）普通日光灯：32850+300+15*50=33900元。

2）LED节能灯：6570+100*50=11570元。

综上对比分析：①不用一年的时间使用LED节能灯具代替普通日光灯就可以从节省的电能中回收成本；②2年后节省的电费大约是2万元。

4 单片机控制的LED节能灯的实现

基于LED节能灯可以工作在高速状态下，同时电流在达到一定范围是亮度基本上没有变化。根据这一特性可以用单片机产生PWM来控制LED的通断，只要高低电平的时间足够短，由于LED有亮变暗的过程需要一定时间，所以这样光照的亮度基本上是不变化的，在这样的情况下可以进一步提高LED节能灯的节能效果。

LED节能灯是一种绿色节能环保、无污染的新一代照明器件，可以工作在恶劣的环境下而不影响照明状态，颜色种类多样可以满足各种场所。政府大力推广LED节能灯的使用以及出台免费使用的优惠政策，增大宣传力度、提高节能减排意识。

参考文献

[1]关春安，冯建伟.LED汽车大灯光源设计方案探讨[J].南阳理工学院学报，2011（02）.