照明灯-LED灯的节能及应用

摘要：随着我国经济的发展，LED节能灯将成为第四代绿色光源，本文对LED灯得工作原理做了简单的介绍，讲述了LED灯的的特性及在各领域的应用。

关键字：LED工作原理二极管发光效率节能环保

中图分类号：TE08文献标识码： A

地球上的资源是有限的，为了人类能够健康持续的发展，节能环保以成为当今各行各业的关注重点。而其中的照明用电量占有相当大的比重， 据测算，目前我国照明用电约占全社会用电量的12%左右，采用高效节能灯的大力发展将是必然趋势。在过去的一百多年中，照明光源经历了三个重要的阶段：白炽灯，荧光灯，HID灯。其中白炽灯是第一代光源，荧光灯是第二代光源，高强度气体放电灯是第三代光源(HID)。如今在照明界具有广阔的发展前景的LED光源被称为第四代绿色光源。

LED灯的工作原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分P型半导体（P指positive，带正电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴[1]； 另一端是N型半导体（N指negative，带负电的）由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。这两种半导体连接起来的时候，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。

当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子[2]消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。P 型半导体一边的空间电荷是负离子，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。当在PN结两端注入正向电流时（即直流稳压电源的输入），电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

二、LED灯的特性

LED作为新颖的半导体光源，具有发光效率高、耗电量少、寿命长、健康、环保、结构牢固等特点。

1、发光效率高

其光谱全部集中于可见光，频率效率可达80%-90%，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。

发光效率对比表

由此可见，低功率的LED光源在同等照明效率情况下可替代高功率的普通能灯具。

2、耗电量少

LED灯无需起辉器和镇流器，耗电量较小，可大幅度降低用电量。

下面以16WLED灯与36W普通日光灯相比较：

①以每天亮24小时，一年计算一盏传统日光灯（实际功率为36W+镇流器10W=46W）耗电为：

每天耗电量 T=24 x 46=1104wh

每年耗电量 N=T x 365=1104x365=402960wh=402.96kwh

按每度电0.5元计算，一年一盏普通日光灯需要花费402.96 x0.5=201.48元

②以每天亮24小时，一年计算LED灯16W耗电为：

每天耗电量 T=24 x 16=384wh

每年耗电量 N=T x 365=384x365=140160wh=140.16kwh

按每度电0.5元计算，一年一盏普通日光灯需要花费140.16x0.5=70.08元

③按照每年100盏灯具进行比较费用：

传统日光灯费用：201.48 x100=2014.8元

LED灯费用：70.08 x100=700.8元

节省费用2014.8-700.8=1314元

两者比较可得出，100盏LED灯比普通日光灯一年节省1314元，节约费用高达65%左右。

3、健康、环保

①LED灯不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰，普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰。传统的日光灯中含有大量的水银蒸汽，如果破碎水银蒸汽则会挥发到大气中。但LED日光灯则根本不使用水银，且LED产品也不含铅，对环境起到保护作用。

②传统的日光灯使用的是交流电，所以每秒钟会产生100－120次的频闪。LED灯具是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，光线柔和,，保护眼睛。

③LED灯具不会产生噪音，对于使用精密电子仪器的场合为上佳之选。且不会产生紫外线，因此不会象传统的灯具那样，有很多蚊虫围绕在灯源旁，室内会变得更加干净卫生整洁。

4、超长寿命

LED日光灯采用半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）可以长期使用而无需更换，大大减少了维修费用。

5、市场潜力大

①电压可调：传统的日光灯是通过整流器释放的高电压来点亮的，当电压降低时则无法点亮。而LED灯具在80V－245V 范围的电压之内都能点亮，还能调整光亮度。

②坚固牢靠：LED灯体本身使用的是环氧树脂而并非传统的玻璃，更坚固牢靠，即使砸在地板上LED灯也不会轻易损坏，可长久使用。

③安全系数高：所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患。

三、LED灯的应用

LED灯做为新一代的光源，它可以应用在多个领域，如：

1、建筑物照明：对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。但是，由于LED光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷，可以水平也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。

2、景观照明：由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道很好的结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作为光源进行照明。LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。

3、标识照明：需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，LED与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。

4、室内照明：就照明品质来说，由于LED光源没有热量、更没有紫外与红外辐射，因此对物品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。室内装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅照明，暗藏光带可以使用LED，对于低矮的空间特别有利。

5、娱乐场照明：由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值（10，000小时后仍然维持90％的光通），降低了维护费用和更换光源的频率。另外，LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。与金卤灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。

6、视频屏幕：全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的LED显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18,677,760只LED，面积为10,736平方英尺。屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100m的超大型LED屏，总计面积达到3600平方米。

四、总结

LED光源是21世纪光源市场的希望，众多优点预告其未来将逐步取代传统光源，奥科委指出高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发明之一，当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，所以节约能源是我们未来面临的重大问题。LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。

参考文献：

1、李强. 数字电子技术基础教程[M]. 电子工业出版社，2002.6

2、余锡存等.单片机原理及接口技术. 西安电子科技大学出版社，2007年

3、周鹤良.电气工程师手册【M】.北京.，中国电力出版社，2008年

4、崔元日.潘苏予 第四代照明光源—白光LED【J】-灯与照明，2004（02）：31-34

5、李宏.李蔚燕 绿色照明光源 高亮度白光LED【J】-灯与照明，2007.31（1）：32-33

6、贺郭基．环保节能LED灯具全球需求旺盛[J]-国际投资与合作，2008，2：10

批注：

[1] 空穴又称电洞，在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现像。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。

[2] 载流子，在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为载流子。