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led灯及在住宅照明中的应用
LED灯及在住宅照明中的应用
LED灯（LightEmittingDiode）
1962年，美国通用电气公司的Holonyak博士，用气相外延方法（VPE）制作成功化合
物半导体材料磷砷化镓，开发出第一批发光二极管，即发明了LED光源。
当时，发光二极
管的发光效率低，仅为0.1lm/W-0.2lm/W，应用前景为显示器、指示器光源。
但是在1963
年2月，Holonyak就预言：
“我们坚信LED会发展成实用的白色光源”。
2010年，LED
开始进入普通照明领域，我国半导体照明产业规模已达1200亿元，其中，上游外延心片产
值为50亿元，中游封装产值为250亿元，下游应用产值为900亿元，主要产品为LED球泡、MR16、PAR灯等。
国家发改委统计数据显示，我国LED照明芯片、封装和应用产值之比为1:
9：
22,从
产业布局来看，LED产业发展不平衡。
而美国GE、荷兰飞利浦、德国欧司朗等世界三大照明公司，纷纷与上游半导体公司合作组建半导体照明公司，积极创造竞争优势，并正在中国
抢占专利制高点，对我国的半导体技术发展形成了合围之势。
因此，如何有效整合国内上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地、以及长三角、珠三角、闽三角以及北方地区四大半导体照明产业聚集区域的优势资源，通过产业集群协同创新，共同应对跨国公司的竞争成为国家及地方政府和企业家的核心问题。
2.4.1LED灯的发光原理与特点
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。
当时
所用的材料是GaAsP，发红光（入p=650nm），在驱动电流为20mA时，光通量只有
千分之几个lm，相应的发光效率约0.1lm/W。
70年代中期，引入元素In和N，使LED
产生绿光（入p=555nm）、黄光（入p=590nm）和橙光（入p=610nm），光效也提高到1lm/W。
到了20世纪80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。
20世纪90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年，前者做成的LED
在红、橙区（入p=615nm）的光效达到100lm/W，而后者制成的LED在绿色区域（入
p=530nm）的光效可以达到50lm/W。
图2-9为一款LED灯。
图2-9LED灯
1.LED光源的发光原理
50多年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，LED的心脏是一个半导体
的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主
导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它
们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，
在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而
光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
白色LED灯几乎不含红外线与紫外成分，显色指数可达85，光输出随输入电压的变化基本上呈线性，因此调光方法简单，效果可靠。
1996年9月发白光的LED由日本日亚工业株式会社成功推出。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（入p=465nm,
Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500K-10000K的各色白光。
到2001年，美国的holygrail光效已达40lm/W-50lm/W。
目前实现LED照明有三种技术路线：
利用红、绿、蓝三基色LED合成白光；利用紫外LED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出合成白光；采用蓝光LED激发黄光荧光粉实现二元混色白光。
其中，利用红、绿、蓝三基色LED合成白光，不仅可实现白光光谱，而且光源颜色可调。
2．LED灯的分类
照明LED产品一般有两种分类方法。
（1）根据LED模块与驱动控制电路的集成程度分类
根据LED模块与驱动控制电路的集成程度分为自镇流LED模块和非自镇流LED模块。
1）自镇流LED模块是指LED模块与驱动控制电路集成在一起，形成了一个不可分割的整体。
2）非自镇流LED模块是指不带驱动控制电路的LED模块。
（2）根据LED模块与灯具的集成程度分类
根据LED模块与灯具的集成程度，LED灯分为集成型、内置型和独立型三种。
1）集成型是指LED模块作为灯具中一个不可替换的部件，与灯具集成在一起，形成了一个不可分割的整体。
2）内置型是指LED模块作为灯具中一个可替换的部件，但不能离开灯具单独使用。
3）独立型则提供了安全保护，LED模块可以脱离灯具单独使用。
3LED光源的特点
（1）节电、寿命长
LED单管功率为0.03W-0.06W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5V-3.5V，电流15mA-20mA。
在同样照明效果的情况下，耗电约为白炽灯的1/8。
LED灯体积小、重量轻，环氧
树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎，理论平均寿命达100000h。
另外，LED
灯具使用寿命可达5年以上。
（2）安全环保
LED是冷光源，发热量低，无热辐射，可以安全接触；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光。
特别是LED灯不含汞、钠元素等可能危害人体健康的物质，其废弃物可回收，无污染，这是绿色光源的重要指标。
（3）近阶段适合城市景观照明
LED启动时间只有几十纳秒，可反复频繁亮灭；LED光源色彩纯正、丰富，可演变任意色彩，其装饰性优秀；LED光源体积小，可以作成点光源，并可以进行多种组合，从而形成点、线、面、体多种形状；LED光源通过微机智能化控制技术，对点状LED光源组合
进行动态控制、闪变控制，适合形成“点、线”；进行渐变控制，适合形成“面”。
使图案纵向、横向动感变化。
以上三种变化也可形成球体的旋转运动，能够作到单灯控制和群灯控
制。
美国能源部（DOE）2012年初发布了LED灯泡测试结果。
太平洋西北国家实验室（PNNL）对来自18个不同厂家的A19、G25、MR16、PAR20、PAR30每款灯都进行了三个样本的测试，使用积分球进行lm-79光度测试，这些灯泡是在2011年夏季购买，在秋季进行的测试。
本次测试包含了11个A19样品，这些样品光效都接近60lm/W，耗电小于10瓦的灯泡光效为50~55lm/W，大于10瓦的光效为55~70lm/W。
G25样品，光效为35~55lm/W。
MR16和PAR20LED样品的测试结果较好，被测试的8个PAR30样品光效在节能灯的上下浮动，
光效为50~55lm/W。
测试的所有样品色温范围为2500K~6000K，大部分样品在2700-3000K
范围内。
整个测试中，显色性差异显著，价格较低者显色性较差，一些样品显色指数低于
70,大部分样品在80左右。
2.4.2LED灯具
LED灯具，以其高效、节能、长寿、小巧等技术特点，正在成为新一代照明市场的主力产品，并且有力地拉动环保节能产业的高速发展。
1.LED灯具的形式
目前LED灯具中使用的最普遍形式主要有两类，一类是采用传统的灯具外壳，只是在
灯具内，在一个几乎是平板的安装面（也是反光面）上，装上了矩阵式的LED,这种设计方式是不可能得到良好的灯具配光的。
另一类是把多个LED集成在一个圆形的区域内，区域直
径大约为30mm〜40mm,再利用灯具反射器进行配光，但这种设计方式的灯具分布光度也不会优于传统的灯具，并且由于在一个很小的区域内集成了高密度的LED,使LED的散热
情况明显不良，不仅影响到LED的发光效率，而且也往往影响到LED的使用寿命。
反射器是一个重新分配光源光通量的器件，光源发出的光经反射器反射后，调整光线到
预期方向，同时减少光损失和眩光。
灯具常用反射材料的反射特性见表2-25。
表2-25灯具常用反射材料的反射特性
反射材料
反射率（%）
吸收率（%）
特性
镜面反射
银
90-92
8-10
亮面或镜面材料。
光线入射角等于反射角。
铬
63-66
27-34
铝
40-50
10-40
不锈钢
50-60
40-50
定向扩散反射
铝（磨砂面、毛丝面）
55-58
42-45
磨砂面或毛丝面材料，光线朝反射方向扩散。
铝漆
60-70
30-40
铬（毛丝面）
45-55
45-55
亮面白漆
60-85
15-40
漫反射
白色塑料
90-92
8-10
亮度均匀的雾面，光线朝各个方向反射。
雾面白漆
70-90
10-30
照明用LED灯的最大特点是具有定向发射光的功能，因为目前功率型LED灯几乎都装有反射器，并且这种反射器的效率都明显高于灯具的反射器效率。
另外，LED灯的光效检
测时已经包括了自身反射器的效率。
采用LED灯的道路灯具应尽可能地利用LED灯的定向发射光的特性，使道路灯具中的
各个LED灯分别直接把光线射向被照路面的各个区域，再利用灯具反射器的辅助配光，来
实现合理的道路灯具的综合配光。
应该说,道路灯具要真正做到符合《城市道路照明设计标准》CJJ45—2006和CIE31以及CIE115标准的照度和照度均匀度要求，灯具内应包含三
次配光的功能才能比较好地实现。
而带反射器并且具有合理的光束输出角度的LED灯本身就具有良好的一次配光功能。
在灯具内，能按照路灯灯具高度及路面宽度设计各个LED灯的安装位置和发射光的方向就能实现良好的二次配光功能。
在此类灯具中的反射器，只作为辅助的三次配光手段，来保证道路照度更好的均匀度。
由上海市照明学会组织的对山东省威海市次干道采用LED光源道路灯具的试验道路段的验收，这一试验道路的灯具及布局就是采用上述原理设计的，从现场的实测结果来看，这一试验路段正是充分利用了LED灯合适的定向发光功能，并采用了三次配光方式，不仅使次干道道路的照度和道路路面的照度均匀度达到了国家标准的要求，而且在灯具的主要照
明方向上，也防止了此区域的局部的过度照明。
由于充分利用了LED灯的特点，并用合理的配光方式充分地利用了LED灯的光输出,从而弥补了LED灯本身光效不如HID光源的不足
使整个道路单位面积在达到标准要求的前提下，其能耗仅为采用高压钠灯道路灯具的原照明设计的能耗的70%左右,取得了明显的节能效果。
目前各级政府都大力推行节能减排,在室内照明中,已经强制执行照明功率密度（LPD）的限值。
我国的道路照明节能认证的技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》提出了道
路照明功率密度（LPD）的考核要求,其核心部分是在满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下尽可能地降低照明功率密度（单位为W/m2）,从而达到节能的目的。
上述采用LED灯
的道路灯具的设计思路正是迎合了《道路照明灯具节能认证技术要求》考核要求。
目前加拿大政府已经按道路照明功率密度（LPD）的要求,推行其道路照明节能工作,估计在不远的将来会有更多的国家按LED灯的要求推行其道路照明节能工作。
在实际的照明灯具的设计中,可采用在基本设定每一个LED灯投射方向的前提下,把每一个LED灯用球形万向节固定在灯具上,当灯具使用于不同的高度和照射宽度时,可通过调整球形万向节使每一个LED灯的照射方向都达到满意的结果。
在确定每一个LED灯的功率、光束输出角度时，分别计算出各LED灯在基本选定光束输出角度时应该具备的功率,并且可以通过调整各LED灯的功率以及LED灯驱动电路，输出给每一个LED灯不同的功率，来使每一个LED灯的光输出都达到预计值。
这些调整手段都是采用LED灯具所特有的，充分利用这些特点就能降低照明功率密度,达到节能的目的。
2LED的散热工况和IP防护
散热是LED灯要重点解决的问题。
LED是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，
但是，LED本身耐温能力比较差，因此不耐高温，而且发光效率会随芯片温度上升而降低,
所以必须将LED工作时产生的热量有效的散发到空气中去，保证LED光源芯片工作在安全的温度环境下，这样LED灯才能真正的体现寿命长的优势。
（1）LED散热
目前LED组件的光效不高，输入的能量只有约15%转化为光能，其余85%变成热。
如果这些热无法排出，将使LED温度升高，影响其光效和使用寿命。
实验证明，LED心片界面温度升高会造成亮度下降，加快LED组件的损坏。
据LED厂商资料分析，LED故障原因有70%是由于温度过高引起。
首先要解决大功率LED照明光源的封装结构，对于大功率LED，采用铝基板或陶瓷基
板替代铜箔印刷电路板，新近又开发出散热性更好的兼顾传导率与热膨胀系数匹配的复合基板。
这样将加快内部热量的散发，有效降低心片的温度。
其次是心片制作采用倒装焊（Fpipchip）。
Fpipchip结构将心片通过焊料倒装在硅衬底上，LED出射的光线不经过P电极，减少了被吸收量，使发光效率得以提高。
第三是设计二次散热装置降低热阻，在器件内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，替代传统的环氧树脂，能获得良好的整体热特性。
（2）LED的IP防护
LED的工况和散热直接关系其发光效率和使用寿命。
LED灯应具有一定等级的防尘防水功能（IP）,良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。
解决这个相互矛盾的问题是灯具设计时应关注的一个重要方面。
国内目前使用中出现的不合格及不合理的情况有：
对LED采用了散热器,但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到IP45及以上等级,无法满足GB7000.5P标准的要求。
采用普通的灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED,这种设计虽说能满足IP试验,但是由于灯具内的不通风会造成在工作时，灯具内腔的温度会升高到50-80C,在如此高的
工况下，LED的发光效率是不可能高的，同时LED的使用寿命也将大打折扣。
在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热，其进风口设计在灯具的下方，以避免雨水的进入，出风口设计在下射LED光源的四周。
这样也能有效避免雨水的进入，另外散热器和LED光源腔不处于同一空腔内，这种设计如果做得好，按灯具的IP试验要求，能顺利通过。
3灯具设计
灯具设计要兼顾灯具中LED的散热及IP防护，较合理的设计有：
（1）导热板的应用
关键的散热位置采用导热板，导热板是在金属板的内部，均匀分布有供冷媒体流动的细导管，并在细导管内充有冷媒体，当导热板的某一部位受热时，细导管内的冷媒体会快速流动而使热量迅速地传导。
好的导热板的热传导系数可以达到同厚度铜材板的8-12倍，虽说
价格较高，但如在关键部位使用，对LED的散热将起到良好的作用。
（2）灯具的外壳设计成散热器状
目前大部分的道路灯具外壳是铝材的，直接利用灯具外壳表面作为散热器，既可以保证IP防护等级的要求，也可以得到很大的散热面积，另外，灯具外壳组成的散热器在有落尘时，可以通过自然的风雨而冲洗，从而可保证散热器工作的持续有效性。
（3）LED驱动电路的效率和输出特性
LED对驱动电路的要求是能保证恒流输出的特性，因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小，所以保证了LED驱动电流的恒定，也就基本保证了LED输出功率的恒定。
对于我国电源电压的现状，道路灯具LED的驱动电路具有恒流输出特性是十分必要的，可保证光输出恒定并且防止LED的超功率运行。
要想使LED驱动电路呈现恒流特性，从驱动电路的输出端向内看，其输出内阻抗一定是高的。
工作时，负载电流也同样通过这一输出内阻抗，如果驱动电路由降压、整流滤波后加在其上必定也消耗很大的有功功率，所以此两
类驱动电路在基本满足恒流输出的前提下，效率是不可能高的。
正确的设计方案是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED，采用上述方案
可以使驱动电路在保持良好的恒流输出特性的前提下，仍具有很高的转换效率。
2.4.3有机发光二极管OLED
有机发光二极管（OLED）发展的重要里程碑为20世纪80年代中期。
美国柯达公司华人工程师邓青云于1979年发现了具有发光特性的有机材料，并提出多层结构，引入芳香族胺类为传递层，成功建立了高效率及低驱动电压的元件结构，1987年获得了OLED设计的第一个专利。
之后历经20多年的改进，OLED有了长足的进步。
由于OLED为平面发光，而且可在轻薄、可挠式的基材上形成阵列结构，，所以也非常适合应用于照明光源，2010年，OLED的发光效率为80lm/W，目前最好的OLED器件的发光效率为102lm/W。
到2015年有望达到120lm/W-150lm/W，将有可能与大功率白色LED竞争，广泛应用于照明。
1．OLED的构成
有机发光二极管（OLED）是一种薄膜多层器件，由碳分子或聚合物组成。
它们的构成
是：
（1）金属箔、薄膜或平板（刚性或弹性）平台；
（2）电极层；
（3）活性物质层；
（4）反电极层；
（5）保护层。
2.OLED的技术优势
有机发光二极管OLED几乎具有LED的所有优点，因为OLED器件结构简单，制造工艺成本低，还具有以下技术优势；
（1）OLED本身为面光源，容易扩展成大面积平面光源；
（2）OLED可制作在柔性塑胶基板上，在住宅照明设计中可结合墙壁、顶棚、地板及家具进行整体设计；
（3）OLED是自发光元件，可以大面积挂于室内墙壁上，或嵌在窗户玻璃上。
美国显示协会制定的照明用OLED成果目标如表2-26所示。
表2-26美国显示协会制定的OLED应用于照明的成果目标
性能参数
单位
第一阶
段
第二阶
段
第三阶
段
第四阶
段
时间
年
2004
2007
2010
2013
能量效率
%
5
15.5
20
30
发光效率
Lm/W
20
50
80
120
景色指数
CRI
75
80
85
90
寿命
2
（2000cd/m2）
h
10000
20000
40000
50000
最大面板尺寸
英寸
14
40
40
>40
面板厚度
mm
2.0
1.0
0.5
0.5
单位面积重量
g/cm2
0.5
0.25
0.1
0.1
制造成本
美元
120
60
40
30
注：
表2-26来源：
U.S.DispulyConsoytium,2002
住宅照明
住宅是人们生活居住的场所，住宅环境质量直接影响我们的生活质量。
现代人需要的是
高质量的生活环境，住宅照明设计就是要营造一个温馨舒适的灯光环境。
住宅照明质量的优劣，直接影响人的情绪、视力健康、活动范围和舒适感。
住宅的各个
部分一般有特定的功能，因此在照明时就有不同的要求。
住宅照明的要求包括：
合理的照度、光色、灯具与环境、陈设协调美观以及局部照明与整体照明的和谐统一。
人们从事的活动不同，对照度的需要也不相同，缝纫最高，依次是读书、看报、电脑操作、写字、烹饪、听音乐、看电视和休息。
现代住宅讲究室内装饰的美观，对居室照明也有更高的追求，居室的色彩会对人的生理和心理产生影响。
因此设计和布置居室照明时，除了
应考虑色彩的选配，以求光色与居室布置和家具的色彩和谐之外，，还要重视节约能源，以
获得典雅、大方、舒适、豪华又节能的效果。
3.1照明设计
照明规划与照明设计作为城市建设的专项学科，分为照明总体规划、照明详细规划、照
明设计三个逐层递进的设计阶段。
照明总体规划作为城市总体规划的一部分，起到功能照明、
景观照明、分期建设、照明管理等综合协调作用；照明详细规划为照明项目的设计、建设提
供引导；而照明设计则是依据照明详细规划中的规定，通过设计师的创作，实现光与载体作
用的结果。
3.1.1照明技术的基本概念
电气照明灯光稳定、色彩丰富，容易实现控制和调节，能够满足人们对照明的需要，因此成为现代人工照明中应用最广泛的照明方式。
电气照明是以光学为基础的，照明技术的实质主要是光的控制与分配技术，包括光、视
觉、颜色等。
住宅照明设计要素
住宅照明设计要素包括住宅照明评价指标、住宅照明的基本要求以及住宅照明设计的主
要参数等。
1•住宅照明评价指标
与住宅照明设计有关的照明评价指标主要有：
照明水平、最佳亮度、眩光、色表和颜色
显现等。
（1）照明水平
从照明技术的主要参数可知，反射光通与投射光通之比为反射比，被照面单位面积
上接受的光通量为照度E,被照射的表面亮度L和照度E与表面反射比的乘积成正比。
也就是说，被照面的反射比将照度和亮度两个指标紧密地联系在一起。
荷兰著名学者德波尔
（DeBoer）等首次提出，对于漫反射面而言，其表达式为：
L—（3-5）
式中：
L――亮度，cd/m2;；
E――照度，lx;
――反射比。
由于照度和亮度有密切的联系，因此将它们共同称为照明水平。
在住宅照明设计中，需
要的照明水平一方面要考虑人对视环境的满意不满意问题，另一方面则取决于视觉工作的难
易程度和视功能水平。
照明水平可以用假想的水平工作面的照度来规定，也可以用特殊表面的亮度来规定，还
可以同时用照度和亮度来规定。
经验证明，这些量中无论哪个量的量值发生变化，对人的工
作功能和舒适感都有深刻影响。
因此，国际照明委员会CIE在其《室内照明指南》中，建
议在制定照明规范时应推荐三种照度标准。
我国的住宅建筑照明的照度标准值也有三个标准，如下面的表3-6所示。
（2）最佳亮度
一般认为人眼看高反射比的表面比看低反射比的表面要亮得多，这就是为什么室内照明
规范用照度而不用亮度的原因
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