綠色照明光源
——LED燈具的發展簡述及在上海高校應用初探

孫仲良費偉民孫加磊華東理工大學 上海交通大學

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綠色照明光源
——LED燈具的發展簡述及在上海高校應用初探

孫仲良1費偉民2孫加磊2
1華東理工大學 2上海交通大學

摘要：介紹了LED照明技術的發展過程和應用情況，并分析LED光源與其他照明光源燈具在技術參數和在節能、環保及使用壽命等性能指標諸多方面的優點。

關鍵詞：綠色照明；LED光源；發光效率

LED（發光二極管）被稱之綠色照明光源，其最大優點就是節能、環保、使用壽命長［1］。近年來隨著技術的發展，LED光源產品發光效率已達到100 Lm/w 以上，其節電率可達普通白熾燈的80%以上，約是一般節能燈的30%，LED作為綠色照明光源，替代傳統的照明光源，取決于LED光源燈生產技術和工藝的全面提高和生產成本的下降，近10年來，隨著其技術不斷創新，以及生產工藝的提高和規模化發展，已大有取代傳統的照明光源的趨勢。

1　LED燈發展概述

據報道［2］，早在1907年，人們已發現某些半導體材料制成的二極管在正向導通時有發光的物理現象。在1955年時，美國無線電公司（Radio Corporation of America）的Rubin Braunstein發現了砷化鎵（GaAs）與及其他半導體合金的紅外線放射作用，到1962年美國通用電氣公司（GE）的Nick Holonyak Jr則研制出可見光的LED。直至1969年，才研制和生產出有紅光的并具有一定發光效率的LED。緊接著LED綠色等光源也相繼研制成功，但仍缺少了三原色中的藍色光源，就無法獲得可用于照明，且能讓消費者感受既舒適又健康的白色LED光源。LED藍色光源的開發，針對氯化鎵（GaN）半導體材料的研究獲得重大突破是在1995年，并在1998年這項研究實現了工業生產和產品的商品化。很顯然，藍色光源LED的研發成功使得LED光源替代傳統照明光源成為可能。但真正全面替代，要走的路還很長，特別是藍色光源在整個光源組成中的作用程度，盡可能減少對視力的影響諸問題仍是需要關注的。

2000年以來，美國、日本、臺灣、韓國等一些國家和地區進一步加大了LED照明技術的研發和產品商品化的力度，以LED光源的發光效率和成本效益為目標，使得LED燈的技術有飛躍的發展。LED燈光源在20世紀60年代研制時采用CaAsp材料產生的紅色光源（λp=650 nm），在驅動電流為20 mA時，其發光效率約為0.1 Lm/W。至20世紀70年代中期，LED導體材料引入元素In和N，使得LED可產生綠光（λp=555 nm），黃光（λp=590 nm）和橙光（λp=610 nm），相應的發光效率也提高到1 Lm/w。到20世紀80年代初，針對LED光源所用材料的進一步研究和探索，以及CaAlAs的成功應用，使得紅色光源的LED的光效達到10 Lm/w。到20世紀90年代，藍光CaInN 新材料的開發成功，LED光源已能發出人們所需要的紅、橙、黃、綠、藍等諸多種色光，從而使得LED的光效也得到更大的提高［3］。進入21世紀后，隨著LED技術的進一步發展，使得LED光源的光效有數量級的提高。LED燈的綠色光源的光效已達到50 Lm/w，其紅色和橙色區域的光源光效可達到100 Lm/w。目前，用于照明的LED光效最高的可達到250 Lm/w。

2　LED產品應用及其性能

LED光源的特點是以單色光為一個基本發光體，LED光源的初級產品是信號燈，最早僅僅只能利用單色光用于儀器儀表的信號指示燈和特殊場合的照明［4］。例：礦工燈、潛水燈、礦工燈蓄電池燈具、手電筒、汽車照明等。

由于LED光源的啟動和運行電流量極小，耗能非常低，使得其與電腦程序控制能很好結合的優越特性，利用LED光源單色光的特性和紅、綠、藍3基色原理，在計算機控制下，使3種顏色進行任意的混配，形成不同光色的組合便很快發展到交通指示燈，指示牌，廣告牌和大屏幕顯示的應用，LED光源在背光照明領域得到非常理想的應用，已廣泛用于各類電子設備功能顯示背光源，筆記本電腦背光源，大型LED顯示器背光源等。其中手機顯示的背光源是LED應用最廣泛的領域。大型LED顯示器背光源也不甘落后，上海陸家嘴金融中心建成的全彩色LED顯示屏長度達100 m、寬度達36 m，總面積為3 600 m2的超大型視頻屏幕被譽為世界第一。

藍色光源的開發應用還發展到與太陽能光伏的應用，例：太陽能庭院燈、太陽能路燈、水底燈。目前LED照明已普及到室內外的各類燈具，例LED書寫照明燈具和教室照明用的各種類型的LED燈具。

LED光源的技術和產品發展之快與傳統照明光源所不同，其LED芯片自身具有的優勢相關。其主要有如下優點。

（1）電壓范圍寬，低壓微電流狀態下即可實現驅動；

（2）芯片體積小，固態封裝，被封裝的芯片不怕振動，不損壞，方便運輸和安裝；適用于特定或差的環境；

（3）使用壽命長，是傳統鎢絲燈的50倍以上；

（4）綠色環保，與傳統光源比較，制作材料中不含鉛、汞。

隨著更多用于LED光源材料的研發成功，熱阻也逐漸下降，LED燈的發光效率普遍提高，燈光的品質也不斷提高，其產品優勢也更為凸顯，特別是昂貴的生產成本的下降，其價格也從1965年全球第一款紅色光源的商用化LED燈的45美元降低到現在約20元人民幣一只的民用3.5 W LED光源燈。目前，LED光源燈的性能普遍超過白熾燈和其他照明光源［5］。現將各類常見燈具的性能列于表1。

20世紀，愛迪生發明的白熾燈為人類文明作出重大的貢獻，但由于其能耗大，影響環境、壽命短等原因，最終將被LED照明技術逐步取代［6］。在國際上2009年，澳大利亞已停止生產并開始禁止使用傳統白熾燈是世界上第一個計劃全面禁止使用傳統白熾燈的國家。2010年，臺灣開始執行白熾燈禁產政策。加拿大、日本、美國等國家也相繼禁止和銷售白熾燈。2012年10月1日起，我國已禁止進口和銷售100 W以上的普通照明用白熾燈。2016年10月1日起將禁止進口停止銷售和使用≥15 W白熾燈。我國綠色照明工程的宗旨是推動節約能源、保護環境和提高照明質量，以適應和服務于我國社會進步和現代化進程。

表1　幾種常見燈具技術參數性能表

3　高校LED光源應用狀況

在高校大面積使用LED光源燈已成為趨勢。近幾年來，LED燈的節能改造工作已遍及多數高校。據不完全統計，有80%的學校已開始使用，但各學校覆蓋的面不等，約在5%～30%之間，其使用效果普遍反應良好。但也有電光學專家針對藍光對視力的影響提出了質疑。這種現象必須引起重視。學生視力健康不容受到影響。因此，相關部門需要加強對LED光源燈的品質和使用的管理。上海市教育委員會在2011年已組織編制了《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》DB31/539-2011［7］，在該規范的第7-1-2節中針對LED光源的管理有特別表述：“其他光源（如LED）應由權威機構證明其能達到本文件所規定的性能和能效要求及相關的安全要求”。2015年，上海市教委學校后勤保衛處曾組織立項起草《LED校園建設和管理標準》規范的編制。這項工作頗為及時，可使綠色照明節能技術改造工作中科學、合理、正確使用LED光源能有章可循，有規可依。

4　結語

LED光源在高校乃至中小學、幼兒園的全面普及是必然的，選擇優質，低藍光的LED光源是綠色照明技術改造工作中必須關注的重點，在招標和采購過程中，不能一味追求低價，而忽視LED燈具的品質，應嚴格按照上海教委制訂的相關標準選定LED燈具。

參考文獻

［1］毛興武《新一代綠色光源LED及其應用技術》人民郵電2010

［2］方志烈，發光二極管材料與器件的歷史、現狀和展望［J］物理2003.32（5）295.301

［3］ 劉陽《論半導體照明產業的發展現狀與問題》城市建設現狀研究電子版2015

［4］廖志凌，半導體照明工程的現狀與發展趨勢［J］電子技術學報，2006.21（9）106-111

［5］劉木清 LED與傳統光源光效比較分析——LED用于普通照明市場的前景［J］ 照明工程學報2006.17（4）41.45

［6］姚凱，第四代新光源—發光二極管［J］ 電源世界2008（3）21.26

［7］林燕丹《中小學校及幼兒園教室照明設計規范》DB31/539-2011

Green Illumination Light Source
-Brief Introduction of LED Lamps Development and Discussion on Its Application in Shanghai Colleges and Universities

Sun Zhongliang1，Fei Fumin2，Sun Jialei3
1.East China University of Science and Technology，2.Shanghai Jiaotong University

Abstract：The article introduces development process and application situation of LED illumination technology.It also analyzes technical parameters and performance index advantages based on many aspects，such as energy saving，environment protection，service life and so on between LED illumination source and other lighting sources.

Key words：Green Illumination，LED Light Source，Luminous Efficiency

［作者簡介］

孫仲良：（1952-），男，高級工程師，主要從事高校節能環保工作。

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.04.004