魏 偉，謝 沛

（中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院有限公司，北京 海淀100080）

目前，LED已然是固態(tài)照明領(lǐng)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(yōu)點(diǎn)。也正是因?yàn)長ED有這些優(yōu)點(diǎn)，人們才樂意接受LED光源，但是，很少有人真正知道要讓LED發(fā)揮以上優(yōu)點(diǎn)還必須給其配上合適優(yōu)質(zhì)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(shè)工程中的應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

1 LED發(fā)光原理

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的核心是一個半導(dǎo)體晶片，該晶片由三部分組成：一端是以空穴占主導(dǎo)地位的P型半導(dǎo)體；另一端是以電子占主導(dǎo)地位的N型半導(dǎo)體；中間通常是1－5個周期的量子阱。當(dāng)電流通過導(dǎo)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(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

2 LED光源的壽命

材料學(xué)家認(rèn)為，LED的理論發(fā)光壽命達(dá)10×104h，但是光衰是不可避免的，即電能轉(zhuǎn)化為光能的效率會隨使用時間的延長而逐漸降低，使得發(fā)光強(qiáng)度逐步衰減。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)LED光源的發(fā)光強(qiáng)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(chǎn)生不同程度的光衰。白熾燈壽命很短，在肉眼可觀察光衰產(chǎn)生前就已經(jīng)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(chǎn)生的光衰嚴(yán)重影響其使用。

LED光源的壽命與其芯片的質(zhì)量和封裝技術(shù)、工藝直接相關(guān)。隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步及制造工藝的改進(jìn)，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(jié)能及可靠性

發(fā)光效率是衡量照明光源節(jié)能的重要指標(biāo)。白熾燈和鹵鎢燈的發(fā)光效率（光源的重要指標(biāo)）為12～24 lm／W，平均為15lm／W；高效率熒光燈和 HID燈的發(fā)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(fā)光時會產(chǎn)生一定熱量，消耗部分電能，而LED光源能將極大部分電能轉(zhuǎn)化成光能，只有極少部分轉(zhuǎn)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(lián)、并聯(lián)、串聯(lián)／并聯(lián)組合等。

串聯(lián)：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(lián)形式的LED具有電路簡單、連接方便等特點(diǎn)，但是當(dāng)其中一個LED發(fā)生故障時，將造成故障點(diǎn)之后的所有LED燈串熄滅，影響了使用的可靠性。

并聯(lián)：一般是將多個LED元件的正極與正極、負(fù)極與負(fù)極并聯(lián)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。可見，并聯(lián)電路雖然較為簡單，但可靠性并不高，特別是在LED數(shù)量較多的應(yīng)用場合更容易造成故障。

當(dāng)光源中的LED數(shù)量較多時，采用簡單的串聯(lián)或者并聯(lián)都不能達(dá)到良好的效果（因?yàn)榇?lián)要求電源輸出很高的電壓，并聯(lián)要求電源輸出很大的電流），采用先串后并的混聯(lián)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(fā)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(qū)動方式分類

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

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

5.2 按電路結(jié)構(gòu)方式分類

阻容降壓：利用電容在一定交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大輸出電流。特點(diǎn)：易受電網(wǎng)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(lián)電阻降壓：利用電流一定，電阻值不同達(dá)到降壓的目的。特點(diǎn)：降壓電阻上的功耗可能大于負(fù)載功耗，輸出電壓隨負(fù)荷數(shù)量增減而變化，易受電網(wǎng)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(lián)、高低壓分離，達(dá)到降壓的目的。特點(diǎn)：重量偏重，電源效率可達(dá)85%，成本高。

自激式反激轉(zhuǎn)換器（RCC）方式開關(guān)電源：電路拓?fù)浜啙?，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(yīng)用于小功率變換場合。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式開關(guān)電源：效率高（一般在70%～90%）、體積小、重量輕、穩(wěn)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(xiàn)高壓，輸出紋波較大，電路復(fù)雜，對元器件要求高，動態(tài)響應(yīng)時間至少大于一個開關(guān)周期。PWM是一種較理想的開關(guān)電源，已成為主流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。

6 LED在照明應(yīng)用中存在的主要技術(shù)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(shù)問題。

6.1 散熱技術(shù)難以達(dá)到要求

LED壽命隨溫度的升高而呈指數(shù)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(nèi)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(fēng)冷，甚至是閉式的風(fēng)冷，很難達(dá)到LED光源的設(shè)計要求。如一些燈具在驅(qū)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(nèi)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(xiàn)有節(jié)能燈的重量只有LED光源的數(shù)分之一。節(jié)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(jié)能燈的價格大致在1W1元，而LED節(jié)能燈基本上保持在1W5～10元。隨著晶片技術(shù)的改良，再加上國家政策性補(bǔ)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(fā)展。

7 LED照明技術(shù)在主題亮化中的應(yīng)用

在國家大力發(fā)展城市文明建設(shè)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(nèi)涵，被塑造成地方標(biāo)志性建構(gòu)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(shù)和光譜特性能夠更好地還原主題色彩、紋理或質(zhì)感，營造出適宜的氛圍和環(huán)境，能很好地滿足主題亮化的需求。

在主題照明設(shè)計中一般需要遵從以下原則。

1）保護(hù)和利用的原則。在體現(xiàn)主題的特點(diǎn)、風(fēng)采，以及其文化藝術(shù)內(nèi)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(shè)等都不要對其外觀造成影響。

3）按規(guī)范設(shè)計。如照明的亮度、色彩、光譜、照射時間等要按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行設(shè)計。

4）保證節(jié)能、環(huán)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(jié)能效果最高可達(dá)60%。

5）避免光污染。當(dāng)采用遠(yuǎn)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(shù)。

8 LED照明技術(shù)在廣場照明中的應(yīng)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(shù)。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(chǎn)生眩光和節(jié)能。

設(shè)計廣場照明應(yīng)當(dāng)考慮以下幾點(diǎn)：①照度均勻且達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)；②選用產(chǎn)生眩光較少的燈具；③光源色溫與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)；④燈桿樣式選擇應(yīng)考慮周圍環(huán)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(guī)路燈照明、高桿照明、或者兩者的結(jié)合。

常規(guī)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(cè)、雙側(cè)交錯、雙側(cè)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(diǎn)為，發(fā)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(qū)域，保證了光照效率，并能在彎道處起誘導(dǎo)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(jìn)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(dá)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(chǎn)生親切感和私密感，又能突顯廣場的特點(diǎn)；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(jié)論

LED光源因其顯著的優(yōu)點(diǎn)及國家節(jié)能環(huán)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(yīng)用。從使用效果看，LED光源在數(shù)碼幻彩、護(hù)欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明及水下照明等領(lǐng)域已完全取代傳統(tǒng)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(jìn)一步的研究和探討。

［1］GB 50034－2013.建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］CJJ 45－2006.城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］李農(nóng)，楊燕.LED照明設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.