LED光源構成及在城市照明中的應用

魏 偉，謝 沛

（中鋼集團工程設計研究院有限公司，北京 海淀100080）

目前，LED已然是固態照明領域的代名詞，人們在提起LED時，都會說起壽命長、省電、亮度高等優點。也正是因為LED有這些優點，人們才樂意接受LED光源，但是，很少有人真正知道要讓LED發揮以上優點還必須給其配上合適優質的電源、合理的電路布局和完善的防靜電措施。因此，普及LED光源的基本知識以及在城市建設工程中的應用，已經成為當務之急。

1 LED發光原理

LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種固態的半導體器件，可以直接把電轉化為光。LED的核心是一個半導體晶片，該晶片由三部分組成：一端是以空穴占主導地位的P型半導體；另一端是以電子占主導地位的N型半導體；中間通常是1－5個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片時，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。

2 LED光源的壽命

材料學家認為，LED的理論發光壽命達10×104h，但是光衰是不可避免的，即電能轉化為光能的效率會隨使用時間的延長而逐漸降低，使得發光強度逐步衰減。實驗證明，當LED光源的發光強度減少30% 時肉眼就能察覺。

從典型光通維持率圖（圖1）可以看出，無論何種光源都會隨著使用時間的延長而逐漸變暗，產生不同程度的光衰。白熾燈壽命很短，在肉眼可觀察光衰產生前就已經損壞，緊湊型熒光燈CFL與白熾燈相比在壽命上有著明顯的提高，但是存在光衰和壽命短的缺陷，普通低成本LED雖然解決了壽命問題，但是過早產生的光衰嚴重影響其使用。

LED光源的壽命與其芯片的質量和封裝技術、工藝直接相關。隨著材料技術的不斷進步及制造工藝的改進，光通維持率下降將會更為緩慢，光源的壽命將會更長，如高效能的LED燈。

圖1 典型光通維持率圖

3 LED的節能及可靠性

發光效率是衡量照明光源節能的重要指標。白熾燈和鹵鎢燈的發光效率（光源的重要指標）為12～24 lm／W，平均為15lm／W；高效率熒光燈和 HID燈的發光效率為50～120lm／W，平均約為75lm／W（表1）。熒光燈在高速電子撞擊使熒光層發光時會產生一定熱量，消耗部分電能，而LED光源能將極大部分電能轉化成光能，只有極少部分轉化成熱能。

表1 市售各種光源燈具光效對照表

4 LED連接電路的常見形式

目前，LED連接電路的常見形式有串聯、并聯、串聯／并聯組合等。

串聯：一般是將每個LED元件的首尾相連，使得流過每個LED元件的電流相等。串聯形式的LED具有電路簡單、連接方便等特點，但是當其中一個LED發生故障時，將造成故障點之后的所有LED燈串熄滅，影響了使用的可靠性。

并聯：一般是將多個LED元件的正極與正極、負極與負極并聯連接，使得每個LED元件承受的電壓相等。由于LED是電流型器件，加在LED上微小的電壓變化都將引起電流的較大變化，流過每個LED的電流是不相等的。每個LED電流分配的不均可能使電流過大的LED壽命銳減，甚至燒壞?？梢?，并聯電路雖然較為簡單，但可靠性并不高，特別是在LED數量較多的應用場合更容易造成故障。

當光源中的LED數量較多時，采用簡單的串聯或者并聯都不能達到良好的效果（因為串聯要求電源輸出很高的電壓，并聯要求電源輸出很大的電流），采用先串后并的混聯方式既保證合理的可靠性（每串的LED故障最多只影響本串的正常發光），又保證電路與電源輸出電壓的匹配。

5 LED電源的分類及特性

5.1 按驅動方式分類

恒流源：能輸出恒定的直流電流以及隨著負載阻值的不同而在一定范圍內變化的直流電壓。特性：負載阻值與電源輸出電壓成正比；嚴禁負載完全開路；成本相對較高；要控制好負載的數量以達到良好的發光效果。

恒壓源：能輸出恒定的直流電壓以及隨著負載數量的增減而變化的直流電流。特性：負載數量與電源輸出電流成反比；嚴禁負載完全短路；發光亮度受到電源輸出電壓影響；要加上合適的電阻方能達到良好的發光效果。

5.2 按電路結構方式分類

阻容降壓：利用電容在一定交流信號頻率下產生的容抗來限制最大輸出電流。特點：易受電網電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低、電路簡單、成本低。

串聯電阻降壓：利用電流一定，電阻值不同達到降壓的目的。特點：降壓電阻上的功耗可能大于負載功耗，輸出電壓隨負荷數量增減而變化，易受電網電壓波動的影響，電源效率低、可靠性低、體積小、電路簡單、成本低。

變壓器降壓：通過磁場互聯、高低壓分離，達到降壓的目的。特點：重量偏重，電源效率可達85%，成本高。

自激式反激轉換器（RCC）方式開關電源：電路拓撲簡潔，輸出與輸入電壓電氣隔離且不需要輸出濾波電感，能提供多組直流輸出，電壓升降范圍寬，廣泛應用于小功率變換場合。

脈沖寬度調制（PWM）方式開關電源：效率高（一般在70%～90%）、體積小、重量輕、穩壓范圍廣，交流輸入電壓為80～265V，聲頻在20kHz，噪聲低，性能靈活，通過輸出隔離變壓器，可以得到低壓大電流或者高壓小電流，可靠性大，損壞時不會出現高壓，輸出紋波較大，電路復雜，對元器件要求高，動態響應時間至少大于一個開關周期。PWM是一種較理想的開關電源，已成為主流產品，廣泛應用于各種電子設備中。

6 LED在照明應用中存在的主要技術問題

隨著LED光源光效的提高，白光LED光效已接近或超過熒光燈的水平，其制造成本逐年降低，但是在市場普及中仍然存在一些技術問題。

6.1 散熱技術難以達到要求

LED壽命隨溫度的升高而呈指數降低，其電解電容的溫度每升高10℃壽命就會縮短一半，MOS管隨溫度的升高其內阻和損耗都會增加，直至最終燒毀。目前，LED的散熱方式一般都采用的被動散熱方式，大多是風冷，甚至是閉式的風冷，很難達到LED光源的設計要求。如一些燈具在驅動板和鋁散熱片之間要加塑料套管以增加絕緣的可靠性，還需要灌散熱硅膠以提高散熱能力，一般這類燈的內部溫度都會有70℃～80℃。

6.2 燈的重量對燈口有影響

由于沒有散熱裝置，現有節能燈的重量只有LED光源的數分之一。節能燈的重量對于燈口的影響微乎其微，但LED燈就不同了，因其散熱的重要性，所以不得不考慮燈的重量對燈口的影響。

6.3 制造成本較高

在同等亮度的情況下，節能燈的價格大致在1W1元，而LED節能燈基本上保持在1W5～10元。隨著晶片技術的改良，再加上國家政策性補貼，LED的制造成本正在急劇下降，近三年來LED的價格下降了近50%，正朝著高效、低成本的方向發展。

7 LED照明技術在主題亮化中的應用

在國家大力發展城市文明建設的今天，大量的橋梁、仿古建筑、戶外雕塑、建筑外墻、戶外廣告牌等被賦予各種文化內涵，被塑造成地方標志性建構筑物。LED光源能以其靈活的色彩、亮度、角度和照射模式來突顯主題形象，以其高顯色指數和光譜特性能夠更好地還原主題色彩、紋理或質感，營造出適宜的氛圍和環境，能很好地滿足主題亮化的需求。

在主題照明設計中一般需要遵從以下原則。

1）保護和利用的原則。在體現主題的特點、風采，以及其文化藝術內涵的同時，不得對其造成傷害。

2）不改變主題原狀。如LED燈的安裝方式、位置、電線敷設等都不要對其外觀造成影響。

3）按規范設計。如照明的亮度、色彩、光譜、照射時間等要按有關標準和要求進行設計。

4）保證節能、環保、安全。LED光源功率小，解決了散熱問題，而且沒有較大的熱量堆積，容易滿足安全防火的要求。利用LED光源，節能效果最高可達60%。

5）避免光污染。當采用遠距離投射時，約1／4～1／3的光線會溢散到空中和被照物之外，形成光污染。需要注重LED燈具的投射角度和參數。

8 LED照明技術在廣場照明中的應用

廣場景觀照明是利用燈光塑造城市夜景的一種照明技術。大型廣場照明一方面是為了滿足游客覺察障礙物及視覺方位，另一方面是要保證駕駛者安全駕駛的亮度需求，同時避免產生眩光和節能。

設計廣場照明應當考慮以下幾點：①照度均勻且達到國家標準；②選用產生眩光較少的燈具；③光源色溫與周圍環境協調；④燈桿樣式選擇應考慮周圍環境，符合工程的整體效果，且不影響廣場的使用功能。

廣場的照明方式通常有常規路燈照明、高桿照明、或者兩者的結合。

常規路燈照明：一般采用高度在15m以下的金屬燈桿配合LED燈具，沿廣場周邊或人行道以單側、雙側交錯、雙側對稱、橫向懸索和中心對稱等五種方式布置燈具。LED路燈的特點為，發光具有單向性，沒有光的漫射，光能直接照射到所需照明的區域，保證了光照效率，并能在彎道處起誘導作用。

高桿照明：是將一組泛光燈具安裝在較高的金屬桿塔上進行大面積照明的一種照明方式。高桿的高度為15～30m（間距為90～100m），最高的可達40～70m。

廣場配置的燈具按高度不同，一般分三個層次：高桿燈（15～20m）能最大限度地延伸視野，賦予廣場一種開放和公共的性格；庭院燈（3～5m）能產生親切感和私密感，又能突顯廣場的特點；草坪燈（0.3～0.5m）能給人以安全、舒適的感覺。對于樹木比較多的廣場，燈具的安裝高度最好比樹木的高度低，但又不能太低以防止人為的破壞，一般以3～3.5m為宜。

9 結論

LED光源因其顯著的優點及國家節能環保政策的支持，近幾年來在城市改造及亮化工程中得到了廣泛的應用。從使用效果看，LED光源在數碼幻彩、護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明及水下照明等領域已完全取代傳統光源，但要在城市道路照明中取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源，還有待做進一步的研究和探討。

［1］GB 50034－2013.建筑照明設計標準［S］.

［2］CJJ 45－2006.城市道路照明設計標準［S］.

［3］李農，楊燕.LED照明設計與應用［M］.北京：科學出版社，2009.