發光二極管照明

**LED 燈**是指利用發光二極體（LED）作為光源的燈，一般使用半導體 LED 製成。LED 燈的壽命和發光效率可達白熾燈的幾倍，和一體式螢光燈相比也高出不少，其中 Cree 等廠家更是號稱能達到 300 流明 / 瓦特的效率。

單顆發光二極體的光度比傳統白熾燈和省電燈泡低很多，所以一個燈泡通常會包含多顆發光二極體。近年，二極體技術提高，高功率、高光度的發光二極體陸續上市，使得這類燈泡漸有取代其他傳統光源之勢。已有廠商推出單顆設計的照明用高功率 LED 晶片，只需 100 瓦的電力，就能發出 7,527 流明的光度。除了用於專為 LED 所設計的燈具外，LED 也可在加裝轉換電路與相關的穩定裝置後，製成與其他光源兼容的燈泡，安裝於傳統光源的燈具中。

由於二極體是使用直流電（DC）驅動，所以 LED 燈泡內通常設有電路，以將日常使用的交流電（AC）轉為直流電，以供電給泡內的 LED。此外，高溫會損壞 LED，故 LED 燈泡一般會配以散熱片等散熱配件。LED 燈泡壽命長、能源效益高，主要缺點在於初期的購置成本比螢光燈等傳統照明光源高。

## 技術簡介

一般照明會使用白光，由不同波長的光所組成。但 LED 只能發出波長相距很少的光，故帶有顏色。不同的 LED，其半導體材料的能隙不同，故發出不同顏色的光。要製造白光 LED，有兩個方法：將紅、綠和藍三色的 LED 混合，或者用磷來轉變光的顏色。

第一種方法（RGB-LEDs）用多顆 LED，每顆發出不同波長的光，LED 間波長相距很少，所以形成了一條白光譜。其優點是每顆 LED 的光度可獨立調校，造出不同顏色，但製作成本很高。

第二種方法（螢光粉轉換白光發光二極體 (pcLEDs），利用短波長 LED（通常是藍或紫外光），磷會吸收部分藍光，發出一個闊光譜的白光。這個原理跟螢光燈利用磷發出白光相似。這個方法成本較低，演色性指數 (CRI）高，但不能隨意改變其發光特性，而且會減低效能。這種燈具價錢低且表現中等，這種技術今常用於一般照明。

### 驅動電路

LED 是一個低電壓的半導體產品，過高的電壓會導致損壞，不能直接由標準的交流電驅動，需要額外電路來控制電壓和電流供應。這個電路包括一連串的二極體和電阻，以控制電壓的極性和限制電流。

但這種方法會使多餘的電壓轉化為熱而流失。將多顆 LED 串聯可以減少電壓損失，但一顆 LED 故障則整串不會發光。幾串的 LED 會並聯使用，使其更加可靠。現實中，三串或以上的 LED 會並聯使用。

用於居家和辦公場所的照明時，一顆燈內會多顆 LED，以解決單顆 LED 光度不足的問題。如果使用顏色混合的方法，會造成顏色分佈不均。因為調較出來的白光 LED 的顏色平衡並非最佳。而且，不同種類 LED 的老化速度均會不同，亦會導致不平均的顏色輸出。一顆燈泡裡通常包括一組 LED、驅動的電子電路、一塊散熱片和光學零件（如玻璃）。

#### 基本電路

一般照明 LED 燈，會包含多顆 LED，並以以下三種基本接法連接起來。

**串聯**
: 數顆 LED 串聯起來，只有一個電阻限制電流。一顆 LED 開路故障時，整個電路就變成斷路，整串不能發光；短路故障時，其他 LED 的電流電壓均會增加。

**並聯**
: 數顆 LED 並聯起來，每顆 LED 都需要一個電阻限制電流。每一顆 LED 均是獨立驅動。開路故障時，其他 LED 能正常發光；短路故障時，整個電路變成短路，不會發光。

**混合**
: 混合了串聯和並聯的方法，由一個串聯電路，包含了數個並聯的部分。短路故障時，即使有一顆 LED 發生故障，其他 LED 依然會維持發光；開路故障時，除了故障的並聯部分外會維持發光。

雖然上述的電路能在某些 LED 故障時發光，但由於故障時其他 LED，均會超過額定的電流電額，會減低壽命，故最好遇到故障時整個組件換掉。

* * *

#### 現實電路

#### 額定正電壓

物理條件：Ta＝25℃ If＝20mA。

* 紅色 LED：Vf:2.1 - 2.6V
* 綠色 LED：Vf:3.3 - 3.9V
* 藍色 LED：Vf:3.2 - 4.0V
* 白色 LED：Vf:3.1 - 4.0V

#### 電磁兼容性

### 省電

LED 燈比一般家用的鎢絲燈省電高 60%。

## 應用

一般和特殊照明均可使用 LED 燈。傳統的顏色光燈通常是在發出白光的燈上，加上濾鏡，隔走其他顏色所造成，導致能源效益低下。但 LED 可以發出單色光，不用濾鏡。

與螢光燈相比，LED 燈不含汞、即開即亮、常開常關無損壽命，及較難打破，均比螢光燈優勝。

白光 LED 燈壽命長、相對用電少。LED 體積小，設計燈具時不但更有彈性，而且用較小的反射鏡和透鏡，就能輕而易舉地把光分佈平均，甚至不會減低能源效益。

LED 燈沒有玻璃管，內部零件裝嵌穩妥，不易受震盪和撞擊影響。有些驅動電路的設計，可使 LED 燈調節光暗，而且所需電流沒有下限，也能維持燈的運作，故可調節的範圍很大。

顏色混合 LED 可以利用轉變不同顏色的光度比例，故可隨意調校出多種顏色，用來製造各種顏色的燈。和其他的照明技術相比，LED 的光照射角度一般較小。這種特性有好有壞，視乎需要而定。當光需要散開時，則需另外加設散光器，或用多顆 LED 覆蓋不同方位。

## 植物用燈

2010 年，LED 燈成為了園藝界和農業的熱門話題。美國國家航空暨太空總署率先在太空使用 LED 燈栽種，其後家用和商業的室內園藝也跟隨。這些栽種專用燈經特別設計，其光波剛好是葉綠素吸收的波長，促進生長之餘，亦減少植物不吸收的光波而造成的浪費。在可見光譜中，光合作用只需紅藍兩色，所以這些燈的設計都有這兩種顏色。比起同類產品，這些 LED 燈能提供同樣光度、不需安定器、而且發熱比氣體放電燈少得多，用於室內栽種十分適合。發熱少能減少蒸散作用，從而減少灌溉次數。

## 家用 LED 燈

### 大小與介面

### LED 燈泡

很多 LED 燈均可取代螺旋式熱熾燈或省電燈泡，由 5-40 瓦特，低功率的熱熾燈，至 60 瓦特（只需約 7 瓦特電力）。截至 2010 年，有些燈甚至能取代更高功率的燈泡，例如一顆 13 瓦特的燈泡就與 100 瓦特熱熾燈的光度相約（一般的熱熾燈光效標準，約為 14 至 17 流明 / 瓦特，視乎其大小和電壓而定。根據歐盟標準，一顆與 60 瓦特熱熾燈等效的「節能燈泡」，最少要能輸出 806 流明）。

多數的 LED 燈泡都是設計成不可調暗的，但亦有些能配合調光器操作，而且光照角度較窄。由 2010 年起，這些燈泡開始由 30 至 50 美元的價錢下跌。LED 燈泡比省電燈泡更省電，若散熱合宜，壽命長達 30000 小時。熱熾燈一般都只有 1000 小時壽命，省電燈泡亦只有大約 8000 小時。故 LED 燈泡能使用大約 25 至 30 年，而且光度的隨年月衰減很少。能源之星標準訂明燈泡使用 6000 小時後，光度衰減應在 10% 之內，最差不可超過 15%。不像螢光燈，LED 燈泡都是無汞的。LED 燈泡亦有不同顏色選擇。售價雖然較高，但電力和維護費用較低，可互相抵消。

### LED 燈管

將 LED 封裝成傳統螢光燈管型式的 LED 燈管近幾年也慢慢開始普及。

與傳統燈具相比，LED 燈具不需要起動器與安定器，能源效率較高。

## 特殊用途

白光 LED 燈泡具高效能，在低功耗的市場（如手電筒、太陽能花園燈和人行道燈、自行車燈等）有領導地位。單色 LED 燈常用來造交通燈和節日燈飾。

2010 年代起，汽車與鐵路車輛的燈具也逐漸使用 LED 燈，一些高價車款的頭燈也逐漸以 LED 燈取代傳統鹵素燈以及高強度氣體放電燈（HID 燈）。

### 先驅

## 技術比較

### 能源之星

## 研發

### 美國能源部

### 美國國家標準和科技機構

### 其他組織

## 侷限

* 散熱需求高

　
: 在散熱不良的情況下，LED 的壽命會大幅減少。

* 高初期成本

　
: LED 價格高，雖然說長期成本可能較低，但是較高的初期成本降低了 LED 的普及率。

* 演色性有待加強

　
: 螢光燈無法完全取代白熾燈的重要原因就是因為螢光燈演色性不佳（白熾燈是連續而且平滑的光譜，演色性指數（CRI）接近 100，這樣的光線也有較健康護眼的特色；其他人工光源多屬發射光譜，很難取代白熾燈及陽光）。目前中低階 LED 的演色性甚至還低於螢光燈。大致上需要用波長組合的方式來類比。

* 容易有無法察覺但很傷眼的低頻閃爍

　
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: 許多低價的 LED 產品，是採用低頻 PWM 的方式來調節亮度，螢光燈使用這種調光方式相對沒有那麼傷眼，因為螢光燈有餘輝效應，但是沒有餘輝效應的 LED 燈使用低頻 PWM 調光就很傷眼。許多無法調整亮度的低價 LED 照明，其整流變壓電路過於簡陋、造成閃爍，也是很傷眼。

* 無法融雪

　
: LED 燈的發熱低於多數傳統戶外光源，在下雪、凍雨及冰霰的情況下反而會造成安全問題。

* 效率仍待加強

　
: LED 在低光度下效率極佳，但是當功率提高，效率就沒那麼好，尤其是中低階的大功率 LED 照明，效率還是比不上 T5 燈管。

* 生產誤差大

　
: 同一批生產的 LED，每顆 LED 之間的特性（亮度、顏色、偏壓… 等）也有相當大的差異，必須花費相當成本分出各種 LED。

* 光害問題

　
: 2017 年，臺灣雲林縣道路兩旁的 LED 路燈，因照明過亮、時間過長，衍生光害危機，令作物誤將冬季以為夏季，以至於稻子不結穗、包心白菜不會包、玉米又高又粗但不結果、菠菜莖只抽高、不長葉子。

* 混亂生理時鐘

　
: LED 街燈的色溫高（甚至是白色）、演色性較低，高色溫代表包含藍光比例越高，而非低色溫的低演色光線則藍光比例更高；反觀傳統街燈的演色性雖差，卻只是黯淡的黃光、可以說不含藍光。高色溫的藍光及白光會讓人腦誤以為現在是白天，LED 街燈效率雖然高，但白光 LED 街燈的流行不只會改變了夜景、也提高了健康風險；若使用低色溫、高演色性的 LED 街燈，對生理時鐘的影響就較低。

## 標準

### 台灣

* CNS 14115 - 安定器內藏式發光二極體燈泡（一般照明用）— 安全性要求
* CNS 15436 - 安定器內藏式發光二極體燈泡（一般照明用）— 安全性要求
* CNS 15592 - 光源及光源系統之光生物安全性
* CNS 15630 - 一般照明用安定器內藏式 LED 燈泡（供應電壓大於 50V）— 性能要求
* CNS 15663 - 電機電子類設備降低限用化學物質含量指引

## 參見

## 參考資料

## 延伸閱讀

* Light Emitting Diodes, Second edition （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） by E. F. Schubert (Cambridge University Press, 2006) ISBN 0-521-86538-7

## 外部連結

* e-lumen.eu – a website from the European Commission about the second generation of energy-saving lightbulbs
* Notes on LEDs （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, earth.org.uk
* "Fans of L.E.D.'s Say This Bulb's Time Has Come" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） New York Times, July 28, 2008