2008年LED灯的发展现状

2008年LED灯的发展现状

自高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高节电效果好，并且无污染、寿命长的特点，在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着，取得了一些成果。这里举几个实例。

1. 采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯（CCFT）。由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特点，在便携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高，白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产品，目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记本电脑中。它已成为LED最大用户之一，占LED年产量的30%左右。


2. 采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。由于采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍，给出的强光可满足相机补光的要求。驱动LED闪光灯的电路无须高压电源，也没有较长的时间充电的缺点，可获得更多的抓拍机会，并使电池使用时间更长。

图1  LED照明系统结构框图


3. 采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。我国的太阳能电池生产量很大，2006年已达到370MW，太阳能组件的生产能力已大于 1000MW.这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好的条件。这不仅用于无电区，同样适合于城镇（在国外，主要依靠大量安装屋顶并网系统来发展太阳能光电产业）。目前我国已能生产成套适合牧区人民应用的白光LED照明系统，其结构框图如图1所示。在一些城市也采用太阳能电池、蓄电池及光控电路组成 LED路灯，能自动地天黑点亮，天亮关断，其结构框图如图2所示。


利用太阳能转化成电能来替代火力发电是最理想的，但大规模地应用太阳能电能是一个大的系统工程。虽然我国已能生产大量的太阳能电池，但可惜的是95%用于出口，留在国内应用仅5%，目前利用太阳能点亮LED灯仅仅还在起步阶段。


4. 采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚，在2004年后不少单位采用Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡（15W）、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等产品，但并未量产。在我国南方一些工厂生产出各种1～5W LED灯泡及一些白光LED灯具，但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的有：矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明灯等。另外，有一些城市用LED路灯作试点工作，但尚未普及。


用白光LED灯取代白炽灯达到使火电厂减少二氧化碳、二氧化硫排放及节电的意义是十分重大的。北大宽禁带半导体研究中心张国义教授说：“如果全国居民用的电灯能有50%改用LED照明灯，每年节省的电量就是一个三峡发电站发电量的总和。”从目前来看，用白光LED灯取代白炽灯还刚开始，在 LED的用户中占很小的比例，不足LED年产量的3%。



发光效率突破100lm/W

随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进，使得这两三年内白光LED的发光效率有长足的进步。1～5W的白光LED从以前的发光效率为30～40lm/W提高到50～60 lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100 lm/W以上。例如，Cree公司的一种4W冷白光LED，其光通量分挡，在350mA电流时其最高挡可达107～114lm（其功率为0.35A× 3.3V=1.15W，其发光效率为93～99lm/W），典型的发光效率是80lm/W，而发展的目标是200lm/W。

表1列出目前各种灯类的一些主要参数，从表1中可以看出，在发光效率上白光LED不仅远远地超过白炽灯，也超过普通荧光灯、紧凑型荧光灯（节能荧光灯），这意味着：白光LED灯比它们更亮、更节电；而在寿命上则遥遥领先。


大功率白光LED的发光效率的提高给设计白光LED灯创造了条件，目前逐步用1～3W大功率白光LED来取代小功率Φ5白光LED设计 LED灯。用1个到几个（或十几个）LED替代了几十个到几百个小功率Φ5白光LED，不仅增加了亮度、减小了体积，还提高了可靠性、简化了工艺。


例如，采用18个1W的白光LED组成的小型路灯可发出1440lm光通量，若采用白炽灯则需要100W。另外，用一个65lm的1W白光LED做成的强光手电筒，它可照射几十米远；若采用Φ5LED来做则是不可能做到的。


　　
两则LED灯的喜讯
2007年LED灯有两则喜讯：
1. 丰田汽车发布了采用4颗400lm的白光LED及1颗200lm的白光LED组成的汽车头灯（前照灯），其总光通量为1800lm；
2. 韩国采用大功率白光LED作迷你型投影机的光源，其寿命可达20000小时（传统的光源寿命仅2000～3000小时）。


从这两则新型LED灯的信息中可以看到：白光LED不仅能用于一般照明灯，并且能由于强光灯。过去汽车除车头灯不能用LED来做外，其他车内外灯都可以用LED来做，这包括刹车灯及高位刹车灯、转弯灯、倒车灯、散雾灯及仪表报背光灯、车内照明灯等。预测在2010年后的汽车内外各种灯都会采用LED来做。汽车行业也将成为LED的大用户之一。



LED灯难进百姓家
上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高，并开发出应用于各种场合的白光LED 灯，但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题，主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高，并且价格太贵，使一般百姓家难以接受。以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白光LED灯的价格比较目前1W白光LED的单价是8～10元，3W的单价是20～25元（与LED的质量及品牌有关），另外还要驱动电路及结构件。再考虑生产厂家的利润及商业利润，则单价可能要120元以上。从表2可以看出：9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大，但单价要比同样功率的白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时，LED灯才能普及，这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用也有近二十年时间（这有质量上的提高及价格下降的过程），白光 LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些（Φ5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元，现在批量单价已降低到0.125～0.15元）。

LED灯路在何方
白光LED照明灯的推广及普及的意义十分重大，但真的要在我国进入百姓家还有很多工作要做，要在技术上（发光效率达到120～150lm/W）、价格上（要比现在的价格降低8～10倍）有重大的突破，还需要不断的努力。白光LED照明灯的推广及普及工作是一项系统工程、重大项目，需要国家的规划、引导及扶持，在政策上及经济上的支持。


我国现在在上海、南昌、大连、厦门已建立四大半导体照明基地及有关科研单位，他们将对LED灯的推广工作起到重大作用。


目前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地应用LED照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的提高，并可降低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验，有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户，对节电能起到很大作用。它们是:
1. 城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）；
2. 隧道及地下停车场（包括地下商场）；
3. 交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯）；
4. 大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市、大型百货公司、大厦及医院等；
5. 无电区的LED灯照明工程。


由于LED照明灯一般采用低压直流（恒流）供电。若采用交流220V市电供电，需要专门的变电装置输出低压直流电（如12V、24V等）并由LED驱动器来驱动LED灯，如图3所示。所以最好在新建这些建筑时就考虑到用LED灯，则在建筑设计中都把它设计在内，这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成LED照明，则改造的费用大、改造的时间长（如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统）。


新建LED照明供电系统需要比传统照明供电系统要复杂些，费用要高得多，如果没有政策的支持及经济的扶持是难以成功的。



结束语
LED灯的应用是一个综合技术的应用，它涉及到LED、太阳能电池、蓄电池、AC/DC转换器、LED驱动器等各个领域的技术。但目前关键技术问题还是LED的发光效率不够高、生产成本不够低。要使LED灯进入千家万户，可能还要等几年。