LED 光源在园林景观照明中的应用

李 方

LED光源一般被称为第四代照明光源或绿色光源,具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻等特点。LED光源就是用发光二极管作为发光体的光源。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

1 LED的基本特性及使用时的注意事项

1.1 光电特性

LED在其电流极限参数范围内流过LED的电流越大,它的发光亮度越高。即LED的亮度与通过LED的电流成正比。但绿光和蓝光及白光在大电流情况下会出现饱和现象,不仅发光效率大幅降低,而且使用寿命也会缩短。

1.2 光学特性

LED按颜色分有红、橙、黄、绿、蓝、紫、白等多种颜色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等,同种芯片在不同的封装方式下,它的亮度也不相同。按人的视觉可分为可见光和不可见光。按发光颜色的多少可分为单色、双色、七彩等多种类型。色彩的纯度不同,价格相差很大,现行的纯白色LED价格特贵。同时发光视角不同,光效亦不同,使用时需特别注意。

1.3 常见的LED电性能参数

1)LED正向电压。不同颜色的LED在额定的正向电流条件下,有着各自不同的正向压降值,红、黄色:1.8 V～2.5 V之间,绿色和蓝色:2.7 V～4.0 V之间。对于同种颜色的LED,其正向压降和光强也不是完全一致的。2)LED的额定工作电流。LED的额定电流各不相同,普通的LED电流一般为20 mA,大功率的LED电流一般为40 mA或350 mA不等。具体要按各封装厂提供的电流参数值选择。一般LED在反向电压 VR=5 V的条件下,反向电流 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,所以必须根据所选择的LED,设计合理的使用电路和配置合适的LED数量,使其完全满足LED电源的额定值。

1.4 温度特性

1)LED的焊接温度应在250℃以下,焊接时间控制在3 s～5 s之间。要注意避免 LED温度过高从而使芯片受损。2)LED的亮度输出与温度成反比,温度不仅影响LED的亮度,也影响它的寿命。使用中尽量减少电路发热,并做一定的散热处理。

1.5 防静电特性

LED装配过程中必须加强防静电措施,因为操作过程和人体本身都会产生静电,对于双电极的LED最易被静电反向击穿,从而严重影响LED的使用寿命甚至使其完全报废。如防静电环境不是非常完善,可以给LED使用者增加防静电腕带,设置良好的防静电接地系统,离子风机等设备。

由于LED具有以上这些特性,它现在被广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。LED的典型用途是显示屏及指示灯,用于装饰用途的技术也已成熟,大量应用于标识牌、光雕塑,LED美耐灯正逐渐取代传统美耐灯。

2 LED应用于园林景观照明的特点

1)节能环保。a.发光效率高:在节能方面,LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。b.耗电量少:LED单管功率0.03 W～0.06 W,采用直流驱动,单管驱动电压1.5 V～3.5 V,电流 15 mA～18 mA,其电光功率转换接近100%,反应速度快,可在高频操作。LED光源的能量转化效率非常高,相同照明效果比传统光源节能80%以上,一盏50 W的节能灯亮度可与300 W～400 W的高压钠灯相当,光照寿命提高10余倍,而电费则要减少近9成。节能效果显著,这对能源十分紧张的中国来说,无疑具有十分重要的意义。而它的环保效益更佳,光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,而且废弃物可回收,没有污染,不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。

2)寿命长。LED灯具使用寿命可达5年～10年,可以大大降低灯具的维护费用,避免经常换灯之苦。比传统光源寿命长10倍以上。正常情况下使用LED,其光衰可以减到70%的标称寿命10万h,减少了更换频率和其他维护工作。

3)光色纯正。由于典型的LED的光谱范围都比较窄,不像白炽灯那样拥有全光谱。因此,LED可以随意进行多样化的搭配组合,特别适用于装饰等方面。

4)防潮、抗振动。由于LED的外部多采用环氧树脂来保护,所以密封性能和抗冲击的性能都很好,不容易损坏。它可以应用于水下照明。

5)安全可靠。LED单体工作电压1.5 V～5 V之间,工作电流20 mA～70 mA之间,人体接触无危险。灯体环氧树脂封装,抗机械冲击、振动能力较强且无汞、钠等有害物质,可回收;发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全触摸;能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光。内置微处理系统,可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。

6)方便管理。与传统光源单调的发光效果相比,LED光源是低压微电子产品,成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高新尖”技术,具有在线编程,无限升级,灵活多变的特点,是纯粹的高新尖技术。LED光源由于具有上述特点,可以集中控制和分散控制或对点进行可调节性控制等多种方式。通过控制电流调光,不同光色组合以调色,加上控制电路以达到多种动态变化效果。其长达10万h以上的寿命更是减少了城市景观亮化的维护工作量。还有其他优点如:低热量、小型化、响应时间短等。

3 LED照明的开发

1)突破传统灯泡和以灯泡为主的灯具照明的概念,发展面光源。白炽灯光源已应用了100多年,成为人们的传统习惯,但灯泡的发光比较集中,太亮会产生眩目的感觉,光线不柔和,照明工作面不均匀,要用特殊的配光设计才能克服以上缺点。LED光源可以做成两维面光源,用背光源的形式做成发光面板。2)突破仿造太阳光的概念,发展数字化可调色光的组合照明系统。人造光源是否一定要模仿太阳光是一个值得探讨的问题,夜晚没有阳光,照明可以根据不同人的需求选择不同的光源。用LED色光可以有效地治疗SAD(季节性情绪失调)疾病;紫光、蓝光照射皮肤可以促进维生素A和D的生成,进而促进钙的吸收,蓝光可以去黄胆;印度医学家D.P.Chadiali用12种色光照射治疗人的过敏反应、免疫系统紊乱、心血管病、精神紧张、抑郁症和失眠症等。因此现代照明是可以根据不同人的生理和心理需要调控的数字化色光组合照明系统。3)突破传统路灯的概念,发展人性化的LED路灯照明系统。由于城市绿化的要求,许多路灯的光照在树上,没有有效地利用光能,造成很大的浪费。在支路、人车混合道路上可以将路灯架设在道路中间,沿道路中线悬挂,均匀有效地利用光能,两边的灯杆做成柱状发光体,照亮低矮的地方,做成分散的光源,可以更充分地发挥LED光源的特长和优势,更人性化。4)突破传统物体色的概念,高饱和度色光照明将视觉认知带入一个全新的境界。物体对不同光谱的反射率及光源发光强度决定了物体的颜色和色泽。传统光源(除激光外)的色纯度不高,也就是色饱和度不高,在单一波长的色光中混合了较多的背景光亮度(辉度),即叠加了白光,降低了色光的色饱和度,物体色不那么鲜艳,用LED高纯度的蓝、绿、红光照射物体会有不一样的效果。5)突破传统灯具的概念,照明应该是一个系统。LED产业技术在不断发展,研究发光效率的提高是产业技术的主流。但是要有效地利用光和色光,将光传送到需要的地方,满足人的视觉生理和心理需要,就必须研究不同频率的光谱组合与人的视觉认知的适配性,研究光源、灯具、配光到人体及视觉相互作用,作为一个价值链系统去研究人们到底如何更有效地、健康地、科学地借助照明系统去看周围的东西,在价值链中增加有价值的新元素,提出使用的价值,去推动市场,拓展市场需求。