LED灯

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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，其中Cree等厂家更是号称能达到300流明/瓦特的效率。

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芯片，只需100瓦的电力，就能发出7,527流明的光度。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灯泡寿命很长、能源效益极高，固态封装结构坚固，这些优点，使现今此类光源已经淘汰了大量的各式灯具，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，以及因为需要驱动芯片与变压，使各厂品质差异大，色偏、长期使用时光衰等问题。

## 技术简介

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一般照明所使用的白光，由不同波长的光所组成。但LED只能发出波长相距很少的光，故带有颜色需要解决。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，或者用磷的萤光粉来转变光的颜色。

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管 (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。但缺点是老化或品质低劣的灯会产生色偏，例如蓝色的街灯影响用路安全。

### 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。

但这种方法会使多余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。

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- 串联

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- 并联

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- 混合

#### 额定正电压

物理条件：Ta＝25℃ If＝20mA。

- 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

## 应用

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### 替代多数公共光源

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。

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，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。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。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，促进生长之余，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。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，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。

### 特殊用途灯具

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白光LED灯泡具高效能，在低功耗的市场（如手电筒、太阳能花园灯和人行道灯、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）。

## 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（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）。

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，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。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%。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。

### 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，改以芯片驱动，能源效率较高。

## 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。而LED的所谓的故障，严格来说又有其特殊性，因其不会立即坏掉，不是不亮而是逐渐损失光度，会有达不到照明效果，但又没有全坏的缺乏保养隐忧。

- 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。

- 演色性有待加强

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

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，因为萤光灯有余辉效应，但是没有余辉效应的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。

- 高光效率仍待加强

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。

- 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

根据实验室要求进行完整性测试。

### 台湾

- CNS 14115 - 安定器内藏式发光二极管灯泡（一般照明用）—安全性要求
- CNS 15436 - 安定器内藏式发光二极管灯泡（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

## 外部链接

- e-lumen.eu – a website from the European Commission about the second generation of energy-saving lightbulbs
- Notes on LEDs , gizmology.net
- LED Wall Washer Lights, wispuled.com
- U. S. Department of Energy, Using Light Emitting Diodes
- U. S. Department of Energy, Solid-State Lighting GATEWAY Demonstration Results
- Detailed spectra plots, of hundreds of LEDs etc, ledmuseum.home.att.net
- Efficient LED lighting in conjunction with low-voltage domestic solar PV and mains , earth.org.uk
- "Fans of L.E.D.'s Say This Bulb's Time Has Come" New York Times, July 28, 2008