LED光源构成及在城市照明中的应用

魏 伟，谢 沛

（中钢集团工程设计研究院有限公司，北京 海淀100080）

目前，LED已然是固态照明领域的代名词，人们在提起LED时，都会说起寿命长、省电、亮度高等优点。也正是因为LED有这些优点，人们才乐意接受LED光源，但是，很少有人真正知道要让LED发挥以上优点还必须给其配上合适优质的电源、合理的电路布局和完善的防静电措施。因此，普及LED光源的基本知识以及在城市建设工程中的应用，已经成为当务之急。

1 LED发光原理

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体晶片，该晶片由三部分组成：一端是以空穴占主导地位的P型半导体；另一端是以电子占主导地位的N型半导体；中间通常是1－5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片时，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

2 LED光源的寿命

材料学家认为，LED的理论发光寿命达10×104h，但是光衰是不可避免的，即电能转化为光能的效率会随使用时间的延长而逐渐降低，使得发光强度逐步衰减。实验证明，当LED光源的发光强度减少30% 时肉眼就能察觉。

从典型光通维持率图（图1）可以看出，无论何种光源都会随着使用时间的延长而逐渐变暗，产生不同程度的光衰。白炽灯寿命很短，在肉眼可观察光衰产生前就已经损坏，紧凑型荧光灯CFL与白炽灯相比在寿命上有着明显的提高，但是存在光衰和寿命短的缺陷，普通低成本LED虽然解决了寿命问题，但是过早产生的光衰严重影响其使用。

LED光源的寿命与其芯片的质量和封装技术、工艺直接相关。随着材料技术的不断进步及制造工艺的改进，光通维持率下降将会更为缓慢，光源的寿命将会更长，如高效能的LED灯。

图1 典型光通维持率图

3 LED的节能及可靠性

发光效率是衡量照明光源节能的重要指标。白炽灯和卤钨灯的发光效率（光源的重要指标）为12～24 lm／W，平均为15lm／W；高效率荧光灯和 HID灯的发光效率为50～120lm／W，平均约为75lm／W（表1）。荧光灯在高速电子撞击使荧光层发光时会产生一定热量，消耗部分电能，而LED光源能将极大部分电能转化成光能，只有极少部分转化成热能。

表1 市售各种光源灯具光效对照表

4 LED连接电路的常见形式

目前，LED连接电路的常见形式有串联、并联、串联／并联组合等。

串联：一般是将每个LED元件的首尾相连，使得流过每个LED元件的电流相等。串联形式的LED具有电路简单、连接方便等特点，但是当其中一个LED发生故障时，将造成故障点之后的所有LED灯串熄灭，影响了使用的可靠性。

并联：一般是将多个LED元件的正极与正极、负极与负极并联连接，使得每个LED元件承受的电压相等。由于LED是电流型器件，加在LED上微小的电压变化都将引起电流的较大变化，流过每个LED的电流是不相等的。每个LED电流分配的不均可能使电流过大的LED寿命锐减，甚至烧坏。可见，并联电路虽然较为简单，但可靠性并不高，特别是在LED数量较多的应用场合更容易造成故障。

当光源中的LED数量较多时，采用简单的串联或者并联都不能达到良好的效果（因为串联要求电源输出很高的电压，并联要求电源输出很大的电流），采用先串后并的混联方式既保证合理的可靠性（每串的LED故障最多只影响本串的正常发光），又保证电路与电源输出电压的匹配。

5 LED电源的分类及特性

5.1 按驱动方式分类

恒流源：能输出恒定的直流电流以及随着负载阻值的不同而在一定范围内变化的直流电压。特性：负载阻值与电源输出电压成正比；严禁负载完全开路；成本相对较高；要控制好负载的数量以达到良好的发光效果。

恒压源：能输出恒定的直流电压以及随着负载数量的增减而变化的直流电流。特性：负载数量与电源输出电流成反比；严禁负载完全短路；发光亮度受到电源输出电压影响；要加上合适的电阻方能达到良好的发光效果。

5.2 按电路结构方式分类

阻容降压：利用电容在一定交流信号频率下产生的容抗来限制最大输出电流。特点：易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低、电路简单、成本低。

串联电阻降压：利用电流一定，电阻值不同达到降压的目的。特点：降压电阻上的功耗可能大于负载功耗，输出电压随负荷数量增减而变化，易受电网电压波动的影响，电源效率低、可靠性低、体积小、电路简单、成本低。

变压器降压：通过磁场互联、高低压分离，达到降压的目的。特点：重量偏重，电源效率可达85%，成本高。

自激式反激转换器（RCC）方式开关电源：电路拓扑简洁，输出与输入电压电气隔离且不需要输出滤波电感，能提供多组直流输出，电压升降范围宽，广泛应用于小功率变换场合。

脉冲宽度调制（PWM）方式开关电源：效率高（一般在70%～90%）、体积小、重量轻、稳压范围广，交流输入电压为80～265V，声频在20kHz，噪声低，性能灵活，通过输出隔离变压器，可以得到低压大电流或者高压小电流，可靠性大，损坏时不会出现高压，输出纹波较大，电路复杂，对元器件要求高，动态响应时间至少大于一个开关周期。PWM是一种较理想的开关电源，已成为主流产品，广泛应用于各种电子设备中。

6 LED在照明应用中存在的主要技术问题

随着LED光源光效的提高，白光LED光效已接近或超过荧光灯的水平，其制造成本逐年降低，但是在市场普及中仍然存在一些技术问题。

6.1 散热技术难以达到要求

LED寿命随温度的升高而呈指数降低，其电解电容的温度每升高10℃寿命就会缩短一半，MOS管随温度的升高其内阻和损耗都会增加，直至最终烧毁。目前，LED的散热方式一般都采用的被动散热方式，大多是风冷，甚至是闭式的风冷，很难达到LED光源的设计要求。如一些灯具在驱动板和铝散热片之间要加塑料套管以增加绝缘的可靠性，还需要灌散热硅胶以提高散热能力，一般这类灯的内部温度都会有70℃～80℃。

6.2 灯的重量对灯口有影响

由于没有散热装置，现有节能灯的重量只有LED光源的数分之一。节能灯的重量对于灯口的影响微乎其微，但LED灯就不同了，因其散热的重要性，所以不得不考虑灯的重量对灯口的影响。

6.3 制造成本较高

在同等亮度的情况下，节能灯的价格大致在1W1元，而LED节能灯基本上保持在1W5～10元。随着晶片技术的改良，再加上国家政策性补贴，LED的制造成本正在急剧下降，近三年来LED的价格下降了近50%，正朝着高效、低成本的方向发展。

7 LED照明技术在主题亮化中的应用

在国家大力发展城市文明建设的今天，大量的桥梁、仿古建筑、户外雕塑、建筑外墙、户外广告牌等被赋予各种文化内涵，被塑造成地方标志性建构筑物。LED光源能以其灵活的色彩、亮度、角度和照射模式来突显主题形象，以其高显色指数和光谱特性能够更好地还原主题色彩、纹理或质感，营造出适宜的氛围和环境，能很好地满足主题亮化的需求。

在主题照明设计中一般需要遵从以下原则。

1）保护和利用的原则。在体现主题的特点、风采，以及其文化艺术内涵的同时，不得对其造成伤害。

2）不改变主题原状。如LED灯的安装方式、位置、电线敷设等都不要对其外观造成影响。

3）按规范设计。如照明的亮度、色彩、光谱、照射时间等要按有关标准和要求进行设计。

4）保证节能、环保、安全。LED光源功率小，解决了散热问题，而且没有较大的热量堆积，容易满足安全防火的要求。利用LED光源，节能效果最高可达60%。

5）避免光污染。当采用远距离投射时，约1／4～1／3的光线会溢散到空中和被照物之外，形成光污染。需要注重LED灯具的投射角度和参数。

8 LED照明技术在广场照明中的应用

广场景观照明是利用灯光塑造城市夜景的一种照明技术。大型广场照明一方面是为了满足游客觉察障碍物及视觉方位，另一方面是要保证驾驶者安全驾驶的亮度需求，同时避免产生眩光和节能。

设计广场照明应当考虑以下几点：①照度均匀且达到国家标准；②选用产生眩光较少的灯具；③光源色温与周围环境协调；④灯杆样式选择应考虑周围环境，符合工程的整体效果，且不影响广场的使用功能。

广场的照明方式通常有常规路灯照明、高杆照明、或者两者的结合。

常规路灯照明：一般采用高度在15m以下的金属灯杆配合LED灯具，沿广场周边或人行道以单侧、双侧交错、双侧对称、横向悬索和中心对称等五种方式布置灯具。LED路灯的特点为，发光具有单向性，没有光的漫射，光能直接照射到所需照明的区域，保证了光照效率，并能在弯道处起诱导作用。

高杆照明：是将一组泛光灯具安装在较高的金属杆塔上进行大面积照明的一种照明方式。高杆的高度为15～30m（间距为90～100m），最高的可达40～70m。

广场配置的灯具按高度不同，一般分三个层次：高杆灯（15～20m）能最大限度地延伸视野，赋予广场一种开放和公共的性格；庭院灯（3～5m）能产生亲切感和私密感，又能突显广场的特点；草坪灯（0.3～0.5m）能给人以安全、舒适的感觉。对于树木比较多的广场，灯具的安装高度最好比树木的高度低，但又不能太低以防止人为的破坏，一般以3～3.5m为宜。

9 结论

LED光源因其显著的优点及国家节能环保政策的支持，近几年来在城市改造及亮化工程中得到了广泛的应用。从使用效果看，LED光源在数码幻彩、护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明及水下照明等领域已完全取代传统光源，但要在城市道路照明中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源，还有待做进一步的研究和探讨。

［1］GB 50034－2013.建筑照明设计标准［S］.

［2］CJJ 45－2006.城市道路照明设计标准［S］.

［3］李农，杨燕.LED照明设计与应用［M］.北京：科学出版社，2009.