大功率LED在照明方面的应用优势及最佳方案

近年来，随着半导体发光材料研究的不断深入，大功率LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度大功率LED取得了突破性进展，其发光效率得到了迅猛提高，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度大功率LED的出现，使大功率LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。大功率LED照明即将引领未来第四代光源的跨越式革命。

一、大功率LED用作灯具光源的性能特点

1、发光效率高：大功率LED经过近几十年的发展，发光效率得到了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12－24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。大功率LED的光效经改良后可达到50～200流明/瓦，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。

2、耗电量少，节能：大功率LED小电流驱动，低电压工作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的十分之一，荧光灯管的二分之一。

3、使用寿命长：采用大功率LED光源的灯具体积小、重量轻。大功率LED光源环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。大功率LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

4、安全环保：发热量低，无热辐射性，低电压工作，冷光源，可用于一些特殊场合；无有害金属汞，无红外线和紫外线辐射。

5.体积和功率均小，设计灵活：能根据不同的使用环境，采用不同数量的大功率LED组合可以设计不同结构形状的灯具。

6.配光容易：光色柔和，无眩光；不同波长产生不同彩色光，鲜艳饱和，无需滤光镜，可以在大功率LED封装时做成色温不同的颜色，以达到实际需要的照明效果。

目前使用的高压钠灯发光颜色为黄色，色温及显像指数都比较低。太阳光显像指数为100，而高压钠灯的显像指数仅为20左右（黄光）；大功率LED光源照明灯的色温可以在4000-7000K之间灵活选择，显像指数可达80以上，灯具发光颜色更接近于自然光。

7.前期投资较大：受封装工艺的限制，大功率LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益。

二、几种典型的大功率LED应用方案：

目前，以白光大功率LED做为光源的手电筒和矿灯已得到了广泛理想的应用且形成规模化。众多的灯具厂家都在发挥各自的优势采用不同设计方案，以期白光大功率LED光源在隧道灯，路灯等方面有所突破。现应用较多的有以下三种方案：

1. 多颗小功率支架大功率LED型：灯具设计时，采用多颗支架型小功率Φ5～Φ10白光大功率LED来做光源。目前市场上有1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、地灯等就是采用这种方案。一般使用了几十到几百颗Φ5～Φ10白光大功率LED，阵列式排布，电源驱动可以采用电容降压来实现。设计上无需考虑过多，不存在散热问题，结构上很容易实现；但生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且如果做路灯等大型灯具亮度不够理想。

2.大功率LED基座型：在一些公共照明方面，如路灯、隧道灯，可以采用几颗甚至多颗大功率LED基座型作为灯具光源。这种设计思路在进行灯具设计时光学部分设计灵活性较大，但不同的灯具其针对性较强。

大功率LED光源是光强分布近似朗伯源的点光源，如果还是简单地汇集大功率LED光源来做道路照明，则无法真正利用大功率LED冷光源的优势。必须通过二光学设计才能实现。由于目前大功率LED的发光角度受限，半光强角度最大的也只能到120度，多颗组合后，虽然照度可以满足要求，但达不到国家照明标准的均匀性要求。通过理论分析，光分布很难达到均匀。并且大功率LED光源的直向性，即使通过透镜等光学设计也有一定的困难。

这种灯具设计时，如果不加反光罩，一部分直射光会势必造成浪费。即使反光罩设计时如何调整角度，经反射后光带总会存在，这也是目前困扰其应用的主要障碍。

采用这种方案的灯具在电源驱动可以采用开关恒流驱动电路，效率较高，可达80%上。但灯具要有良好的散热结构，才能保证灯具的使用寿命。

用基座型大功率LED做光源的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果用在路灯上，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

3.单颗或者几颗多芯片集成型

多芯片集成型白光大功率LED具有独特的优势：通过不同的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动器设计，提高整体发光效能，降低成本；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源。

这种灯具安装工艺简单，由于多点发光，二次光学设计的难度大。由于一般单颗就能作到20W甚至到200W，所以对灯具的散热要求也比较苛刻。灯具设计时灵活性不大，受芯片局限性大。

由于大功率LED芯片到目前为止还没有国产化，从国外或台湾进口，价格很高，而小功率芯片国内货源充足，组合成同样的功率，其价格相对较低。所以通过封装多个小功率芯片组合成集成型白光大功率LED，用做灯具光源具有价格上的优势。

三、结论：

通过对目前几种大功率LED光源应用的简单分析，大功率LED光源用做城市道路照明系统作为一个新的技术，在应用上还有许多难题，要使大功率LED照明系统达到道路照明要求，其中最关键的是相关的光学系统设计，也就是要在大面积上实现光照的均匀性，来满足国家标准的要求。

同时使我们认识到要想将大功率LED广泛的应用到照明领域，除了对灯具的光学及结构进行优化设计外，更重要的是将照明灯具设计中面临的光学及散热两大难题需要通过大功率LED研制单位来得以改善，以共同推动我国大功率LED照明产业的健康平稳发展。