LED燈

LED燈（英語：）是指利用發光二極管（LED）作為光源的燈，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]

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）。

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，高溫會保护LED，故LED燈泡一般會配以加熱片等加熱配件。LED燈泡壽命長、能源效益高，主要缺點在於初期的購置成本比螢光燈管等傳統照明光源高。

技術簡介
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，或者用磷來轉變光的顏色。

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的光度可獨立調校，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

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和電阻，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。

用於居家和辦公場所的照明時，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

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。

  • 串聯
  • 並聯
  • 混合

額定正電壓

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

省電

LED燈比一般家用的鎢絲燈省電高60%。

應用

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

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

LED燈泡

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。（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]

LED燈管

將LED封裝成傳統螢光燈管型式的LED燈管近幾年也慢慢開始普及。

與傳統燈具相比，LED燈具不需要起動器與安定器，能源效率較高。

特殊用途
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）。

技術比較
燈泡性能與开支比较（美国电价，相当于60瓦白炽灯亮度）
[18] 卤素灯[19] [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）

研發

侷限
  • 散熱需求高
在散熱不良的情況下，LED的壽命會大幅減少。
  • 高初期成本
LED價格高，雖然說長期成本可能較低，但是較高的初期成本降低了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。
  • 無法融雪
LED燈的發熱低於多數傳統戶外光源，在下雪、凍雨及冰霰的情況下反而會造成安全問題。
  • 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。

標準

台灣
  • CNS 14115 - 安定器內藏式發光二極體燈泡(一般照明用)—安全性要求
  • CNS 15436 - 安定器內藏式發光二極體燈泡(一般照明用)—安全性要求
  • CNS 15592 - 光源及光源系統之光生物安全性
  • CNS 15630 - 一般照明用安定器內藏式LED燈泡(供應電壓大於50V)—性能要求
  • CNS 15663 - 電機電子類設備降低限用化學物質含量指引

參見

參考資料
  1. . energy.gov. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-12-23）.
  2. . greenamerica.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2016-09-09）.
  3. . greatercea.org. [31 August 2016]. （原始内容存档于2017-11-16）.
  4. . forbes.com. [31 August 2016]. （原始内容存档于2021-01-12）.
  5. myledlightingguide.com, "Specifications of LED high bay lights," 页面存档备份，存于, 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 页面存档备份，存于, Updated June 2009
  9. Ivan Moreno, Maximino Avendaño-Alejo, and Rumen I. Tzonchev. (PDF). Applied Optics. 2006, 45 (10): 2265–2272 [2011-01-29]. PMID 16607994. doi:10.1364/AO.45.002265. （原始内容 (PDF)存档于2011-07-22）.
  10. Ivan Moreno, Ulises Contreras. . Optics Express. 2007, 15 (6): 3607. PMID 19532605. doi:10.1364/OE.15.003607.
  11. Brent. . Grow Light LEDs. 2010-05-12 [2010-06-03]. （原始内容存档于2010-06-27）.
  12. Matt. . Guru Grow Lights. 2009-07-09 [2009-11-17]. （原始内容存档于2020-11-09）.
  13. Sarah Lonsdale, "Green property: energy-efficient bulbs 页面存档备份，存于," Telegraph, July 7, 2010
  14. Elisabeth Rosenthal and Felicity Barringer, "Green Promise Seen in Switch to LED Lighting 页面存档备份，存于," New York Times, May 29, 2009
  15. Justin Maeers, LED misrepresentations 页面存档备份，存于, May 2010
  16. (PDF). [2011-01-29]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-28）.
  17. Taub, Eric; leora Broydo Vestel. . New York Times. 2009-09-24 [2010-02-06]. （原始内容存档于2020-11-30）.
  18. . Home Depot.
  19. . Home Depot. [5 March 2017].
  20. . [20 January 2014].
  21. . Home Depot. [12 March 2017].
  22. (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014].
  23. . [2017-01-03]. （原始内容存档于2019-06-17）.

延伸閱讀

外部連結
维基共享资源中相关的多媒体资源：LED燈
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