LED 光源在園林景觀照明中的應用

李 方

LED光源一般被稱為第四代照明光源或綠色光源,具有高節能、利環保、壽命長、體積小、多變幻等特點。LED光源就是用發光二極管作為發光體的光源。LED照明產品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。

1 LED的基本特性及使用時的注意事項

1.1 光電特性

LED在其電流極限參數范圍內流過LED的電流越大,它的發光亮度越高。即LED的亮度與通過LED的電流成正比。但綠光和藍光及白光在大電流情況下會出現飽和現象,不僅發光效率大幅降低,而且使用壽命也會縮短。

1.2 光學特性

LED按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍、紫、白等多種顏色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等,同種芯片在不同的封裝方式下,它的亮度也不相同。按人的視覺可分為可見光和不可見光。按發光顏色的多少可分為單色、雙色、七彩等多種類型。色彩的純度不同,價格相差很大,現行的純白色LED價格特貴。同時發光視角不同,光效亦不同,使用時需特別注意。

1.3 常見的LED電性能參數

1)LED正向電壓。不同顏色的LED在額定的正向電流條件下,有著各自不同的正向壓降值,紅、黃色:1.8 V～2.5 V之間,綠色和藍色:2.7 V～4.0 V之間。對于同種顏色的LED,其正向壓降和光強也不是完全一致的。2)LED的額定工作電流。LED的額定電流各不相同,普通的LED電流一般為20 mA,大功率的LED電流一般為40 mA或350 mA不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數值選擇。一般LED在反向電壓 VR=5 V的條件下,反向電流 IR≤10 μ A。3)LED的功率。LED功率的大小也各不相同,有70 mW,100 mW,1 W,2 W,3 W,5 W等,所以必須根據所選擇的LED,設計合理的使用電路和配置合適的LED數量,使其完全滿足LED電源的額定值。

1.4 溫度特性

1)LED的焊接溫度應在250℃以下,焊接時間控制在3 s～5 s之間。要注意避免 LED溫度過高從而使芯片受損。2)LED的亮度輸出與溫度成反比,溫度不僅影響LED的亮度,也影響它的壽命。使用中盡量減少電路發熱,并做一定的散熱處理。

1.5 防靜電特性

LED裝配過程中必須加強防靜電措施,因為操作過程和人體本身都會產生靜電,對于雙電極的LED最易被靜電反向擊穿,從而嚴重影響LED的使用壽命甚至使其完全報廢。如防靜電環境不是非常完善,可以給LED使用者增加防靜電腕帶,設置良好的防靜電接地系統,離子風機等設備。

由于LED具有以上這些特性,它現在被廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領域。LED的典型用途是顯示屏及指示燈,用于裝飾用途的技術也已成熟,大量應用于標識牌、光雕塑,LED美耐燈正逐漸取代傳統美耐燈。

2 LED應用于園林景觀照明的特點

1)節能環保。a.發光效率高:在節能方面,LED經過幾十年的技術改良,其發光效率有了較大的提升。而且其光的單色性好、光譜窄,無需過濾可直接發出有色可見光。目前,世界各國均加緊提高LED光效方面的研究,在不遠的將來其發光效率將有更大的提高。b.耗電量少:LED單管功率0.03 W～0.06 W,采用直流驅動,單管驅動電壓1.5 V～3.5 V,電流 15 mA～18 mA,其電光功率轉換接近100%,反應速度快,可在高頻操作。LED光源的能量轉化效率非常高,相同照明效果比傳統光源節能80%以上,一盞50 W的節能燈亮度可與300 W～400 W的高壓鈉燈相當,光照壽命提高10余倍,而電費則要減少近9成。節能效果顯著,這對能源十分緊張的中國來說,無疑具有十分重要的意義。而它的環保效益更佳,光譜中沒有紫外線和紅外線,既沒有熱量,也沒有輻射,眩光小,而且廢棄物可回收,沒有污染,不含汞元素,冷光源,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。

2)壽命長。LED燈具使用壽命可達5年～10年,可以大大降低燈具的維護費用,避免經常換燈之苦。比傳統光源壽命長10倍以上。正常情況下使用LED,其光衰可以減到70%的標稱壽命10萬h,減少了更換頻率和其他維護工作。

3)光色純正。由于典型的LED的光譜范圍都比較窄,不像白熾燈那樣擁有全光譜。因此,LED可以隨意進行多樣化的搭配組合,特別適用于裝飾等方面。

4)防潮、抗振動。由于LED的外部多采用環氧樹脂來保護,所以密封性能和抗沖擊的性能都很好,不容易損壞。它可以應用于水下照明。

5)安全可靠。LED單體工作電壓1.5 V～5 V之間,工作電流20 mA～70 mA之間,人體接觸無危險。燈體環氧樹脂封裝,抗機械沖擊、振動能力較強且無汞、鈉等有害物質,可回收;發熱量低,無熱輻射,冷光源,可以安全觸摸;能精確控制光型及發光角度,光色柔和,無眩光。內置微處理系統,可以控制發光強度,調整發光方式,實現光與藝術結合。

6)方便管理。與傳統光源單調的發光效果相比,LED光源是低壓微電子產品,成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等,所以亦是數字信息化產品,是半導體光電器件“高新尖”技術,具有在線編程,無限升級,靈活多變的特點,是純粹的高新尖技術。LED光源由于具有上述特點,可以集中控制和分散控制或對點進行可調節性控制等多種方式。通過控制電流調光,不同光色組合以調色,加上控制電路以達到多種動態變化效果。其長達10萬h以上的壽命更是減少了城市景觀亮化的維護工作量。還有其他優點如:低熱量、小型化、響應時間短等。

3 LED照明的開發

1)突破傳統燈泡和以燈泡為主的燈具照明的概念,發展面光源。白熾燈光源已應用了100多年,成為人們的傳統習慣,但燈泡的發光比較集中,太亮會產生眩目的感覺,光線不柔和,照明工作面不均勻,要用特殊的配光設計才能克服以上缺點。LED光源可以做成兩維面光源,用背光源的形式做成發光面板。2)突破仿造太陽光的概念,發展數字化可調色光的組合照明系統。人造光源是否一定要模仿太陽光是一個值得探討的問題,夜晚沒有陽光,照明可以根據不同人的需求選擇不同的光源。用LED色光可以有效地治療SAD(季節性情緒失調)疾病;紫光、藍光照射皮膚可以促進維生素A和D的生成,進而促進鈣的吸收,藍光可以去黃膽;印度醫學家D.P.Chadiali用12種色光照射治療人的過敏反應、免疫系統紊亂、心血管病、精神緊張、抑郁癥和失眠癥等。因此現代照明是可以根據不同人的生理和心理需要調控的數字化色光組合照明系統。3)突破傳統路燈的概念,發展人性化的LED路燈照明系統。由于城市綠化的要求,許多路燈的光照在樹上,沒有有效地利用光能,造成很大的浪費。在支路、人車混合道路上可以將路燈架設在道路中間,沿道路中線懸掛,均勻有效地利用光能,兩邊的燈桿做成柱狀發光體,照亮低矮的地方,做成分散的光源,可以更充分地發揮LED光源的特長和優勢,更人性化。4)突破傳統物體色的概念,高飽和度色光照明將視覺認知帶入一個全新的境界。物體對不同光譜的反射率及光源發光強度決定了物體的顏色和色澤。傳統光源(除激光外)的色純度不高,也就是色飽和度不高,在單一波長的色光中混合了較多的背景光亮度(輝度),即疊加了白光,降低了色光的色飽和度,物體色不那么鮮艷,用LED高純度的藍、綠、紅光照射物體會有不一樣的效果。5)突破傳統燈具的概念,照明應該是一個系統。LED產業技術在不斷發展,研究發光效率的提高是產業技術的主流。但是要有效地利用光和色光,將光傳送到需要的地方,滿足人的視覺生理和心理需要,就必須研究不同頻率的光譜組合與人的視覺認知的適配性,研究光源、燈具、配光到人體及視覺相互作用,作為一個價值鏈系統去研究人們到底如何更有效地、健康地、科學地借助照明系統去看周圍的東西,在價值鏈中增加有價值的新元素,提出使用的價值,去推動市場,拓展市場需求。