LED特性及发展现状分析

——吴聚辉、董新丰、解宁

      摘要：在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋。同时，国家也大力倡导节能减排，已结束的2008年北京奥运会和2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这就给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。

关键字：LED  现状分析  散热  特点

     随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED光源逐渐走入人们的视野。在照明领域， LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来的发展趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。本文阐述了LED的发展现状和技术方面的一些问题。不当之处恳请批评指正。

一、 LED光源的概念

     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，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这里边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，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。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

二、 LED光源的特点

      LED是由超导光晶体产生超高强度的光，它发出的热量很少，不像白炽灯浪费太多的热量，也不像霓虹灯因需要高电压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代的环保高科技光源。

自从1879年爱迪生发明了白炽灯，电光源照明分别经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯三个重要阶段。现在人们普遍认为LED将发展成为第四代光源，即半导体照明。其特点为：

（一）节能、环保。研究资料表明，由于LED是冷光源，眩光小，无辐射，半导体照明自身对环境没有任何污染。而且具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个10-12W的LED光源发出的光能与一个35-70W的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果，LED比传统光源节能40%-50%。

（二）寿命长。LED利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，体内也没有松动部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，可承受高强度机械冲击，可在-30-+50℃环境下正常工作。LED单管寿命为5万小时，光源寿命在2万小时以上，而普通白炽灯的寿命仅为1000小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过10000小时。

（三）响应速度快。LED发光管响应时间很短，能按要求保证多个光源或一个光源在不同区域之间的工作切换。采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。

（四）运行成本低。其他光源不仅耗电量是LED光源的2-5倍，而且每隔几个月都会有故障灯需要维修、更换，增加了维护成本。而且投入使用的光源越多，在器件更换和人工机器方面的成本就越高，初次投资的节省很快会被日常的维修费用抵消。因此使用寿命长的LED光源从长远看是很经济的。

（五）多变幻。LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

（六）综合性能高。LED与其他光源相比，不论是在抗震、寿命、启动时间方面都很出色。（
三、LED现状分析

      LED照明目前还只适用于一些特殊场合，由于目前国内外已研制成功的LED光效还不够高，功率也不够大，价格较贵，所以要全面取代目前普遍使用的白炽灯和荧光灯，尚需以下问题需要解决：

（一）散热。LED是光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高，散热不良将导致芯片结温迅速上升，环氧树脂炭化变黄，LED加速光衰，降低了LED的寿命，因而要解决散热问题。常用铝质基来给LED散热，这就牵涉到绝缘问题，如果绝缘不好会导致大量LED不通或者损毁。另外，用于隧道、偏远地区等潮湿、灰尘大的场合还要考虑防水、防尘等工艺。

（二）电源效率。LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关，但也使用220V的交流电。而LED的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将220V的交流转换为直流。电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率，因此提高电源效率对于提高LED照明效率来说显得尤为重要。

（三）光特性。与传统灯具相比，1颗LED发出的光比较少，所以需要使用多颗LED。其参数离散型也是一个技术问题。同时，由于LED的发光面积小，亮度高，人眼直视的话很容易眩晕。为了降低亮度，需要使用扩散板。但是，使用扩散板的话，光向各个方向发散，降低了光的效率。

要想减少光的浪费，控制配光分布（所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度）需要使用透镜和反光镜，但就目前一些厂商提供的配光曲线图来看，配光还不够合理，均匀度也不够好。
    （四）价格过高。 价格是LED难以普及的主要因素，虽然LED目前被多数人看好，优点也很多。但是过高的初始费用还不能让普通消费者接受。

以LED路灯举例说明，一套250W高压钠灯约为1500元，光源寿命2.5万小时。180W LED路灯每套6000元，使用寿命5万小时。如果灯具损坏，高压钠灯的光源电器只需更换二次（含人工费、台班费）约需1000元左右，灯具还可以继续使用。而LED路灯必须整体全套更换。即使180WLED路灯光效已达到250W高压钠灯的水平，可节约70W功率，每度电价约为0.7894元，5万小时可节约电费2762.9元，可180WLED路灯一次性投资就比250W高压钠灯多4500元。就造成了目前LED省电不省钱的说法。

总之，任何新事物的产生与发展必然会遇到各种各样的瓶颈，LED要想成为未来照明的主流，价格及成本仍然是最大障碍。LED要在价格上与传统灯具进行竞争，需要LED厂商降低成本。近期只能是在LED技术不断成熟，发光效率不断提高的前提下，通过LED的寿命优势和节能优势来弥补灯具价格上的劣势。