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LED燈

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各種已推出市場LED燈泡,用以取代傳統燈泡的螺旋式接口,包括泛光燈(左)、閱讀燈(中)、一般家用燈(中偏右和下)和低功率的裝飾燈(右)。

LED燈英语:LED lamp)是指利用發光二極管(LED)作為光源的燈具,一般使用半导体LED制成。LED灯的寿命和发光效率可达白炽灯的几倍,和一体式荧光灯相比也高出不少,[1][2][3]其中Cree等厂家更是号称能达到300流明/瓦特的效率。[4]

單顆發光二極管的光度比傳統白炽灯和省電燈泡低很多,所以一個燈泡通常會包含多顆發光二極管。近年,二極管技術提高,高功率、高光度的發光二極管陸續上市,使得這類燈泡漸有取代其他傳統光源之勢。已有廠商推出單顆設計的照明用高功率LED晶片,只需100瓦的電力,就能發出7,527流明的光度。[5]。除了用於專為LED所設計的燈具外,LED也可在加裝轉換電路與相關的穩定裝置後,製成與其他光源兼容的燈泡,安裝於傳統光源的燈具中。

由於二極管是使用直流電(DC)驅動,所以LED燈泡內通常設有電路,以將日常使用的交流電(AC)轉為直流電,以供電給泡內的LED。此外,高溫會損壞LED,故LED燈泡一般會配以散熱片等散熱配件。LED燈泡壽命長、能源效益高,主要缺點在於初期的購置成本螢光燈管等傳統照明光源高。

歷史[编辑]

技術簡介[编辑]

配以LED燈的輕鋼架天花板

一般照明會使用白光,由不同波長的光所組成。但LED只能發出波長相距很少的光,故帶有顏色。不同的LED,其半導體材料的能隙不同,故發出不同顏色的光。要製造白光LED,有兩個方法:將紅、綠和藍三色的LED混合,或者用來轉變光的顏色。

第一種方法(RGB-LEDs)用多顆LED,每顆發出不同波長的光,LED間波長相距很少,所以形成了一條白光譜。其優點是每顆LED的光度可獨立調較,造出不同顏色,但製作成本很高。

第二種方法(螢光粉轉換白光發光二極體,phosphor converted LEDs, pcLEDs),利用短波長LED(通常是藍或紫外光),磷會吸收部分藍光,發出一個闊光譜的白光。這個原理跟螢光燈利用磷發出白光相似。這個方法成本較低,演色性指數(Color Rendering Index, CRI)高,但不能隨意改變其發光特性,而且會減低效能。這種燈具價錢低且表現中等,這種技術今常用於一般照明。

驅動電路[编辑]

LED是一個低電壓的半導體產品,過高的電壓會導致損壞,不能直接由標準的交流電驅動,需要額外電路來控制電壓和電流供應。這個電路包括一連串的二極管電阻,以控制電壓的極性和限制電流。

但這種方法會使多餘的電壓轉化為熱而流失。將多顆LED串聯可以減少電壓損失,但一顆LED故障則整串不會發光。幾串的LED會並聯使用,使其更加可靠。現實中,三串或以上的LED會並聯使用。

用於家居和辦工場所的照明時,一顆燈內會多顆LED,以解決單顆LED光度不足的問題。如果使用顏色混合的方法,會造成顏色分佈不均。因為調較出來的白光LED的顏色平衡並非最佳。而且,不同種類LED的老化速度均會不同,亦會導致不平均的顏色輸出。一顆燈泡裡通常包括一組LED、驅動的電子電路、一塊散熱片和光學零件(如玻璃)。

基本電路[编辑]

一般照明LED燈,會包含多顆LED,並以以下三種基本接法連接起來。

串聯
數顆LED串聯起來,只有一個電阻限制電流。一顆LED開路故障時,整個電路就變成斷路,整串不能發光;短路故障時,其他LED的電流電壓均會增加。
并联
數顆LED並聯起來,每顆LED都需要一個電阻限制電流。每一顆LED均是獨立驅動。開路故障時,其他LED能正常發光;短路故障時,整個電路變成短路,不會發光。
混合
混合了串聯和並聯的方法,由一個串聯電路,包含了數個並聯的部分。短路故障時,即使有一顆LED發生故障,其他LED依然會維持發光;開路故障時,除了故障的並聯部分外會維持發光。

雖然上述的電路能在某些LED故障時發光,但由於故障時其他LED,均會超過額定的電流電額,會減低壽命,故最好遇到故障時整個組件換掉。

現實電路[编辑]

額定正電壓[编辑]

物理條件:Ta=25℃ If=20mA[6][7]

  • 紅色LED:Vf:2.1 - 2.6V
  • 綠色LED:Vf:3.3 - 3.9V
  • 藍色LED:Vf:3.2 - 4.0V
  • 白色LED:Vf:3.1 - 4.0V

電磁兼容性[编辑]

省電[编辑]

LED燈比一般家用的鎢絲燈省電高60%。

應用[编辑]

一般和特殊照明均可使用LED燈。傳統的顏色光燈通常是在發出白光的燈上,加上濾鏡,隔走其他顏色所造成,導致能源效益低下。但LED可以發出單色光,不用濾鏡。

與螢光燈相比,LED燈不含汞、即開即亮、常開常關無損壽命,及較難打破,均比螢光燈優勝。[8]

白光LED燈壽命長、相對用電少。LED體積小,設計燈具時不但更有彈性,而且用較小的反射鏡和透鏡,就能輕而易舉地把光分佈平均[9],甚至不會減低能源效益。

LED燈沒有玻璃管,內部零件裝嵌穩妥,不易受震盪和撞擊影響。有些驅動電路的設計,可使LED燈調節光暗,而且所需電流沒有下限,也能維持燈的運作,故可調節的範圍很大。

顏色混合LED可以利用轉變不同顏色的光度比例,故可隨意調校出多種顏色,用來製造各種顏色的燈。[10]和其他的照明技術相比,LED的光照射角度一般較小。這種特性有好有壞,視乎需要而定。當光需要散開時,則需另外加設散光器,或用多顆LED覆蓋不同方位。

植物用燈[编辑]

2010年,LED燈成為了園藝界和農業的熱門話題。美國太空總署率先在太空使用LED燈栽種,其後家用和商業的室內園藝也跟隨。[11]這些栽種專用燈經特別設計,其光波剛好是葉綠素吸收的波長,促進生長之餘,亦減少植物不吸收的光波而造成的浪費。在可見光譜中,光合作用只需紅藍兩色,所以這些燈的設計都有這兩種顏色。[11]比起同類產品,這些LED燈能提供同樣光度、不需鎮流器、而且發熱比氣體放電燈少得多[12],用於室內栽種十分適合。發熱少能減少蒸散作用,從而減少灌溉次數。[11]

家用LED燈[编辑]

大小與接口[编辑]

LED燈泡[编辑]

很多LED燈均可取代螺旋式熱熾燈或省電燈泡,由5-40瓦特,低功率的熱熾燈,至60瓦特(只需約7瓦特電力)。截至2010年,有些燈甚至能取代更高功率的燈泡,例如一顆13瓦特的燈泡就與100瓦特熱熾燈的光度相約。[來源請求](一般的熱熾燈光效標準,約為14至17流明/瓦特,視乎其大小和電壓而定。根據歐盟標準,一顆與60瓦特熱熾燈等效的「節能燈泡」,最少要能輸出806流明。)[13])

多數的LED燈泡都是設計成不可調暗的,但亦有些能配合調光器操作,而且光照角度較窄。由2010年起,這些燈泡開始由30至50美元的價錢下跌。LED燈泡比省電燈泡更省電[14],若散熱合宜,壽命長達30000小時。熱熾燈一般都只有1000小時壽命,省電燈泡亦只有大約8000小時。[15]故LED燈泡能使用大約25至30年,而且光度的隨年月衰減很少。能源之星標準訂明燈泡使用6000小時後,光度衰減應在10%之內,最差不可超過15%。[16]不像螢光燈,LED燈泡都是無汞的。LED燈泡亦有不同顏色選擇。售價雖然較高,但電力和維護費用較低,可互相抵消。[17]

特殊用途[编辑]

LED電筒燈泡(左),可取代同款熱熾燈(右)

白光LED燈泡具高效能,在低功耗的市場(如手電筒、太陽能花園燈和行人路燈、自行車燈等)有領導地位。單色LED燈常用來造交通燈和節日燈飾。

2010年代起,汽車與鐵路車輛的燈具也逐漸使用LED燈,一些高價車款的頭燈也逐漸以LED燈取代傳統鹵素燈以及高強度氣體放電燈(HID燈)。

先驅[编辑]

技術比較[编辑]

燈泡性能與开支比较(美国电价,相当于60瓦白炽灯亮度)
白炽灯[18] 卤素灯[19] 节能灯[20] LED[21]
售价 $0.41 $1.17 $0.99 $3.99
功率瓦特 60 43 14 8.5
平均光通流明 860 750 775[22] 800
光效(流明/瓦特) 14.3 17.4 55.4 94.1
色温(开尔文) 2700 2920 2700 2700
演色性(CRI) 100 100 82 80
寿命(小时) 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年数(每天6小时) 0.46 0.46 4.6 6.8
20年电费(0.11美元/KWh $289 $207 $67 $41
20年总开支 $307 $259 $70 $53
(按白炽灯亮度比例折合) $307 $297 $78 $57
基于每日六小时用量计算(20年共43,800小时)

能源之星[编辑]

研發[编辑]

美國能源部[编辑]

美國國家標準和科技機構[编辑]

其他組織[编辑]

侷限[编辑]

  • 散熱需求高
在散熱不良的情況下,LED的壽命會大幅減少。
  • 高起始成本
LED價格高,雖然說長期成本可能較低,但是較高的起始成本降低了LED的普及率。
螢光燈無法完全取代白熾燈的重要原因就是因為螢光燈演色性不佳(白熾燈是連續而且平滑的光譜演色性指數(Color Rendering Index, CRI)接近100,這樣的光線也有較健康護眼的特色;其他人工光源多屬發射光譜,很難取代白熾燈及陽光)。目前中低階LED的演色性甚至還低於螢光燈。大致上需要用波長組合的方式來模擬。
  • 效率仍待加強
LED在低光度下效率極佳,但是當功率提高,效率就沒那麼好,尤其是中低階的大功率LED照明,效率還是比不上T5燈管。
  • 生產誤差大
同一批生產的LED,每顆LED之間的特性(亮度、顏色、偏壓…等)也有相當大的差異,必須花費相當成本分出各種 LED。
  • 光害問題
2017年,臺灣雲林縣道路兩旁的LED路燈,因照明過亮、時間過長,衍生光害危機,令作物誤將冬季以為夏季,以至於稻子不結穗、包心白菜不會包、玉米又高又粗但不結果、菠菜莖只抽高、不長葉子[23]
  • 混亂生理時鐘
LED街燈的色溫高(甚至是白色)、演色性較低,高色溫代表包含藍光比例越高,而非低色溫的低演色光線則藍光比例更高;反觀傳統街燈的演色性雖差,卻只是黯淡的黃光、可以說不含藍光。高色溫的藍光及白光會讓人腦誤以為現在是白天,LED街燈效率雖然高,但白光LED街燈的流行不只會改變了夜景、也提高了健康風險;若使用低色溫、高演色性的LED街燈,對生理時鐘的影響就較低。

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ How Energy-Efficient Light Bulbs Compare with Traditional Incandescents. energy.gov. [31 August 2016]. 
  2. ^ CFLs vs. LEDs: The Better Bulbs. greenamerica.org. [31 August 2016]. 
  3. ^ Lightbulb Efficiency Comparison Chart. greatercea.org. [31 August 2016]. 
  4. ^ LEDs Will Get Even More Efficient: Cree Passes 300 Lumens Per Watt. forbes.com. [31 August 2016]. 
  5. ^ myledlightingguide.com, "Specifications of LED high bay lights," [1], Updated September 2010
  6. ^ LED照明推進協議会『LED照明ハンドブック』日刊工業新聞社2006年7月1日初版1刷発行ISBN 4274500926
  7. ^ 谷腰欣司著『発光ダイオードの本』日刊工業新聞社2008年1月28日初版1刷発行ISBN 9784526059902
  8. ^ Consumersearch.com, " Light Bulbs: Full Report," LED light bulb, Updated June 2009
  9. ^ Ivan Moreno, Maximino Avendaño-Alejo, and Rumen I. Tzonchev. Designing light-emitting diode arrays for uniform near-field irradiance (PDF). Applied Optics. 2006, 45 (10): 2265–2272. PMID 16607994. doi:10.1364/AO.45.002265. 
  10. ^ Ivan Moreno, Ulises Contreras. Color distribution from multicolor LED arrays. Optics Express. 2007, 15 (6): 3607. PMID 19532605. doi:10.1364/OE.15.003607. 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Brent. Why Grow With LEDs?. Grow Light LEDs. 2010-05-12 [2010-06-03]. (原始内容存档于2010-06-27). 
  12. ^ Matt. LED Grow Light Research. Guru Grow Lights. 2009-07-09 [2009-11-17]. 
  13. ^ Sarah Lonsdale, "Green property: energy-efficient bulbs," Telegraph, July 7, 2010
  14. ^ Elisabeth Rosenthal and Felicity Barringer, "Green Promise Seen in Switch to LED Lighting," New York Times, May 29, 2009
  15. ^ Justin Maeers, LED misrepresentations, May 2010
  16. ^ Integral LED Lamps Criteria Development (PDF). 
  17. ^ Taub, Eric; leora Broydo Vestel. Build a Better Bulb for a $10 Million Prize. New York Times. 2009-09-24 [2010-02-06]. 
  18. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  19. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  20. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  21. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  22. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  23. ^ 雲林LED太亮變光害 蔬菜亂長

延伸閱讀[编辑]

外部連結[编辑]