LED光源在城市景观照明中的应用

　　一、照明工程中LED光源发展史

　　LED(Light Emitting Diode)，又称发光二极管，是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端施加正向电压时，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光、远红外、近红外光，在照明工程中只利用了LED的可见光。

　　1964年世界上第一支红色发光二极管研制成功，之后出现了黄光LED，绿光LED。1994年蓝光LED的研制成功使白光LED的开发成为可能。1996年日本Nichia（日亚）公司成功开发出二波长白光（基于蓝光单晶片衬底上加以YAG黄色荧光粉混合产生白光）LED并成功实现商品化，同年在世界范围内取得了该项技术的专利。目前发展的方向是无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光的三波长白光LED，实现商品化后它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯及二波长LED，成为新一代的光源。

 　　二、LED光源的基本特征

　　1、发光效率高

 　　LED经过几十年的技术改良，发光效率有了较大的提高。HP公司开发的应用TIP(Truncated Inverted Pyramid)晶粒结构的红光LED发光效率达到100lm/w，绿光LED也可达到50lm/w，单个功率LED的光通量达到了几十流明（白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/w，荧光灯50～70lm/w），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

　　LED单体功率0.03～0.06w，采用直流或脉冲直流驱动，单体驱动电压1.5～4V，工作电流10-18mA，响应时间微秒级，可高频操作。同样照明的效果下，其耗电量是白炽灯泡的八分之一、荧光灯管的二分之一。就桥梁护栏灯为例，同样效果的一支日光灯每米耗电40多W，而采用LED每米的功率只有6-8W（以100只?LED单体红、绿、蓝三色均布计算）。

　　3、使用寿命长

 　　一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000小时，荧光灯、高强度气体放电灯的寿命也不超过1万小时，LED的使用寿命可长达数万小时，而且体积小、重量轻，采用环氧树脂的封装结构可承受高强度的机械冲击和震动。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。

　　4、安全可靠性高，控制方式灵活。

　　LED属冷光源发热量低，无热辐射，能精确控制光型及发光角度，光色柔和无眩光，不含汞、钠元素等可能危害环境的物质。通过微处理（CPU）系统可以控制发光强度，调整发光方式。红、绿、蓝三色组合亮灭可实现8种变化效果，如采用灰度控制，理论上能产生256*256*256（16777216）种颜色效果，真正意义上实现了光与艺术的完美结合。

　　除此之外，LED作为照明用光源还有一些难能可贵的优点，例如: 发光体接近点光源，便于灯具设计;发光响应时间短; 易于做成薄型灯具，节省安装空间等。

　　三、LED光源在城市景观照明工程中的应用 城市景观照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，LED产品应该能够找到它的用武之地。发光角度小的LED方向性强，可作局部重点照明；在封装材料中添入散射剂可以实现175度的发光角适合较大范围内的照明，问题是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的选择范围，目前在城市夜景照明工程中常用的LED光源主要有：

　　 1、线性发光灯具

 　　LED线性发光灯具（管、带、幕墙灯等）：产生的轮廓照明效果可以替代传统的霓虹灯、镁氖发光管、彩色荧光灯。常用产品额定工作电压DC12V、24V（大部分为大功率开关电源供电，也有部分产品采用线性电源），AC220V；控制方式分为内控和外控，照明工程中一般采用几十到几百个的单体组合。LED线性发光灯具以其良好的耐候性、寿命期内极低的光衰、多变的色彩，具有流动变幻的照明效果在城市建筑的轮廓照明、桥梁的栏杆照明中得到了广泛的应用。以一幢建筑物勾画的轮廓灯为例，利用LED光源红、绿、蓝三基色组合原理，在微处理器控制下可以按不同模式加以变化，例如水波纹式连续变色、定时变色、渐变、瞬变等，形成夜晚的高楼大厦千姿百态的效果。

 　　2、装饰草坪灯、景观灯、球泡等

 　　在城市街道或绿地中，将发光的部位设计成环状、带状等各种结构，局部照亮草坪; 同时成为白天环境中的装饰元素。常用产品额定工作电压AC220V，控制方式多为内控（在需要同步变化的场所可利用同步线实现强制同步）。实际工程中常与气体放电灯光源配合作为装饰性照明使用，利用草坪灯、景观灯、球泡等各种不同造型、不同功能的LED光源可以组合成色彩绚丽的灯光幻影。这种“多色彩，多亮点，多图案”的变化，体现了LED光源的特点。

 　　3、水下灯

 　　LED水下灯放在水下，用于水体的照明，防护水平应达到IP68。额定工作电压DC12V。LED的低电压工作特性使其比以往的任何灯具都要安全，寿命长的优点也使维修起来更加方便，产生的照明效果也比常用的PAR灯、气体放电灯更为丰富。

 　　4、地面灯具：地埋灯、发光地砖、石灯等

 　　地面灯具使用LED光源可以将尺寸小型化。一方面可以用作环境照明，另一方面可以作为发光装饰照明或引导性功能照明。依据具体的地面铺装结构灯具的出光口面积可大可小。嵌入式石灯、地砖灯以切边加工的方式与铺装的石材取得一致，达到环境与光源和谐统一的效果。目前部分产品已实现模数化设计，例如作为地面铺装层照明的发光地砖，产品的尺寸与地砖的尺寸相协调，即符合模数的要求：150×150; 200×200；200×100；300×300；400×200等。

 　　5、利用太阳能电池作为能源的LED灯具

 　　LED低耗电的特点使利用太阳能电池作为能源成为可能，极低的工作电压省去了传统光源必需的DC-AC转换电路，使能源的利用率大大提高，扩大了灯具的应用范围，节约能源，有利环境保护。

 　　四、LED在照明应用中存在的主要问题

 　　1、光通量有待进一步提高。LED的光效与高强度气体放电灯（HID）相比仍有较大差距，采用LED作为照明光源，必须可以发出更多的光，必须具有更高的能量转换效率，目前世界各国均加紧了对提高LED发光效率方面的研究。

 　　2、LED发出的光与自然光相比仍有一定的差距。自然光具有非常强的黄色光谱成分，给人一种温暖的感觉；而白光LED发出的白光带有较多的蓝光成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。

 　　3、价格较高，这是影响LED照明灯具普及的主要原因。但是近年来随着晶片生产技术的改良及各种专利技术的解禁（日本Nichia日亚公司的专利保护期至2006年），制造成本正在急剧下降，LED照明灯具正朝着高效率、低成本的方向发展，这为LED在照明领域的广泛应用提供了有利条件。

 　　4、电光源技术与微电子技术的结合程度不够，控制方式较为单调，控制手段比较原始。LED生产企业应重视微电子技术在光源控制领域的应用，可以借鉴LED户外大型显示屏的做法: 按占空比方式实现对若干个红、绿、蓝LED发光单元发光灰度进行控制，采用嵌入式微控制器，实现独立的数字化控制，使其产生全彩动态变化的显示效果。

 　　5、产品的一致性、可靠性有待提高。由于照明灯具需由多个LED单体组成，其参数离散性是一个重要的技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED单体的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED，此外由于多个LED单体组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。而在使用过程中只要有一个LED短路或开路（主要是开路），都将会导致整小片或整条LED工作点的变化，造成寿命缩短或熄灭，影响照明效果。为此必须研究简单、廉价、有效的保护电路，将这种不良影响降低到最低限度。

 　　五、LED光源在夜景照明中的展望

 　　LED的发展历史已经几十年，但在夜景照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，造价逐步降低，LED的应用市场将更加广泛，特别是在全球能源短缺的背景下，LED光源在照明市场的应用前景备受瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场，将取代白炽灯、紧凑型节能灯和荧光灯，成为下一代的新型光源。