大功率——LLEEDD知的識（發十一展） 趨勢

施克孝，張國森

（1.中廣國際建筑設計研究院，北京 100034；2.中央電視臺技術管理中心，北京 100859）

LED光源，是繼愛迪生發明白熾燈之后人類歷史上的又一項重大發明。LED照明，被譽為現代的節能環保型“綠色照明”。LED照明產業，不愧為21世紀的朝陽產業。

如今，LED產品已用于照明行業的各個領域，如背光照明（手機、液晶電視等）、大屏幕顯示屏、汽車燈、交通信號燈、路燈、礦燈、景觀照明、影視及舞臺照明等等。本文重點闡述與影視、舞臺照明有關的問題及發展趨勢，并作為本系列文章的一個小結。

1 LED的出現

LED是一種可將電能轉換成光能的半導體發光器件，屬于固態照明。事實上，從LED“電致發光”現象的發現，到其開始實際應用，再到廣泛應用于各個領域，經歷了一個漫長的過程。

1907年，科學家第一次從一塊碳化硅里發現了電致發光現象。由于其發出的黃光太暗，不能實際應用，因而放棄了對這一現象的研究。1936年在研究硫化鋅粉末發光的報告中，出現了“電致發光”這一術語。

世界上最早的LED是1965年用鍺材料制成的。此后不久，采用磷砷化鎵（GaAsP）材料制成的紅光LED問世。當時其光效只有0.1 lm/W。1968年，LED的光效達到了1 lm/W，并出現了紅、橙、黃三種顏色的產品。20世紀80年代，紅光LED的光效達到了10 lm/W。

20世紀90年代中期，高亮度藍光LED問世。有了藍光，就可以用多種辦法得到白光。如此前LED系列文章所述，藍光是產生白光LED不可缺少的顏色。有了藍光，可以用紅、綠、藍三基色LED相加得到白光；也可以用藍光加黃光（藍光照射YAG熒光粉得到黃光）產生白光；與此同時，研制出了發紫外線的LED，用紫外線LED激發三基色熒光粉也可以得到白光。白光LED的問世，是電光源發展史上的一大革命，它打開了通往LED功能性照明領域的大門。

最近，超高亮度的白光LED在實驗室的光效已經超過200 lm/W，商用產品已經超過100 lm/W。同時，適用于影視、舞臺用的高顯色LED已經開始在電視演播室及舞臺工程中使用。

2 電光源的分類

LED光源被稱為第四代光源，這是怎么劃分的呢？

人類用光的歷史可以追溯到很久以前。考古發現，50萬年之前，人類已經知道舉起燃燒的木頭用做照明，并成為現在還在使用的火把；3萬7千年前，人類開始使用石制的油燈照明。后來，貝殼、陶器、金屬的油燈相繼出現。再后來，才出現了蠟燭等照明用具。

但就電光源而言，從1879年愛迪生發明第一只燈泡算起，只有一百多年的歷史。如無特指，通常說的光源分類都是指電光源的分類。電光源按發光原理一般分為四代：

（1）第一代光源 —— 熱輻射發光（有人稱之為電阻發光），如白熾燈、鹵鎢燈。

（2）第二代光源 —— 利用弧光放電使氣體（含金屬蒸汽）發光，如高壓鈉燈、氙燈、金屬鹵化物燈。

（3）第三代光源 —— 熒光粉發光，例如生活中用的日光燈，電視演播室、舞臺用的三基色熒光燈等。

（4）第四代光源 —— 固態照明，利用半導體發光，以目前正迅速發展的LED光源為代表。

第一代光源用的時間最長，到現在，它還在影視、舞臺上“唱主角”。這主要是因為它的光譜連續光滑、顯色性極好（最接近日光的顯色性）、點燃及調光特性好、價格低廉等。但它的缺點也非常明顯，易碎、壽命短、光效低、不節能，這在能源短缺的現代社會是一個致命的弱點。第二代光源氣體放電燈，比白熾燈的光效高幾倍，壽命也較長，金屬鹵化物燈的顯色性也較好。但它的致命弱點是燈內含有汞（水銀），在生產過程中及廢棄燈泡中的汞都會污染環境、對人體造成傷害，不環保。順便說一下，近年出現的所謂“等離子光源”，其實就是沒有電極的金鹵燈，它是用微波聚焦使氣體放電（金鹵燈是有電極的等離子光源，只不過沒有人強調這一點而已）。其優點是壽命長、顯色性好，是理想的點光源。其顯色性可以做得很高，但光效較低（50 lm/W左右），可以用于要求高顯色性而又是點光源的場所。第三代光源熒光燈已被廣泛用于日常生活中，但燈管中也含有汞，存在污染環境的問題。

之所以說，第四代光源——LED是光源的一場革命，是因為它具有許多突出的優點和非常廣闊的發展前景。

3 LED光源的優點

大功率LED一般是指1W以上的LED光源。與前三代光源比較，具有以下優點：

（1）環保、無污染——在現代社會，這是最重要的一條。LED為固態照明，不含汞等重金屬，不污染環境，對人體沒有不良影響。

（2）高光效——在能源短缺的現在，這一點也至關重要。鹵鎢燈色溫為3200 K時，光效在24 lm/W左右；高顯色的氣體放電燈及三基色熒光燈的光效不超過100 lm/W；高顯色的LED光源，目前品牌產品白光LED的光效已超過100 lm/W。400 nm～700 nm的等能量白光，理論光效值為241 lm/W。在不久的將來，滿足影視、舞臺需要（主要指顯色指數及色溫）的LED光源光效完全可能超過200 lm/W。

（3）壽命長——影視、舞臺常用的鹵鎢燈壽命只有200 h～300 h；電腦燈中的金屬鹵化物燈一般為幾百小時；三基色熒光燈的壽命可達8 000～10 000 h；而品牌的大功率LED光源在燈具中的壽命，目前已超過10 000 h。隨著燈具及驅動電源散熱條件的改進，不久的將來，其壽命有可能達到30 000 h～50 000 h。

（4）發光響應時間快——前三代光源中，白熾燈的點亮時間最短，大約為100 ms（毫秒，1 ms =10-3s）。而LED的點亮時間僅為納秒（1 ns=10-9s）級，因此，高頻特性好。

（5）適宜在低溫條件下工作——在景觀照明中，特別是像冰燈這樣的景觀，由于溫度很低，熒光燈往往難以啟動，而LED光源在低溫下壽命會更長。

（6）在影視、舞臺照明中需要多姿多彩的顏色時，LED光源具有突出的優點：在一臺燈具中可放置多種顏色的LED，用加色法得到各種各樣的顏色，光通利用率高，顏色飽和度也高。

4 大功率LED光源的發展趨勢

（1）光效提高的空間還很大。前文已述，盡管現在的LED光效已超過前三代光源，但距理論最高值還相差很遠，也就是說它還有很大的發展潛力。現在，LED的內量子效率（內量子效率及外量子效率的定義見本刊2012年第1期《LED的封裝——LED知識（九）》）可以做得很高，一般都可以到90%以上（優質產品的內量子效率可達99%），但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率，就可以大大提高LED產品的發光效率。這是LED的重點研究課題之一。

另外，在談及LED光源光效的時候，要區分幾個概念。首先，實驗室內LED光源達到的光效，不表示目前現有產品的光效，它還要解決生產工藝等一系列問題才能變成批量產品。因此，它代表的是未來產品的光效。其次，低顯色指數產品的光效，不代表高顯色指數產品的光效。有些廠家在宣傳其產品的時候，說產品的光效達到多少流明瓦（lm/W），是顯色指數比較低的LED光源的數值，高顯色指數的LED光源達不到所宣傳的數值。還有，目前的LED光源，高色溫光源比低色溫光源的光效高，5 600 K的LED比3 200 K的LED光效高。了解LED的這些特點，便于正確選購所需要的產品。

（2）提高顯色指數是LED光源的重要課題之一。一般情況下，顯色指數高，光效往往低一些；光效高，顯色指數就差一些。有些應用領域，例如影視、舞臺照明，對光源的顯色指數要求就很高。

白熾燈光源是熱輻射發光，其光譜分布及顯色性很接近日光。氣體放電燈出現后，由于它的光譜分布呈梳狀（就像平常梳理頭發用的梳子），部分氣體放電光源的光譜連續但不光滑；部分氣體放電光源的光譜不但呈梳狀，而且不連續。在這種情況下，出現了顯色性的概念，并給出了顯色指數的計算公式。現在的LED光源不同于以上兩種光源，它的光譜分布，從前述文章中的光譜分布曲線圖可以看出，有高峰和低谷。經研究發現，有些光源的顯色指數的“數值”較低，但看上去光色卻不錯；有的光源顯色指數的“數值”很高，但看上去顯色性卻不好。因此，如何把顯色指數的數值與感覺的效果統一起來，也是當前研究的課題之一。

（3）單顆LED光源功率還需要提高。現在，單顆LED光源的功率一般為3 W或5 W。單顆10 W的LED雖已出現，但不普遍。更大功率的LED都是模組（一個基板上組裝多顆LED）的形式，例如100 W及130 W的LED都是模組發光器件。這主要是因為LED光源按發光體的體積計算，發熱量高，解決散熱的難度較大。

（4）價格需要大幅度降低。LED光源產品的價格是影響其大規模使用的重要因素之一。隨著技術的日益成熟，生產批量的不斷增大，LED光源的成本和價格會大幅度降低。可以說，白光LED普及的前提是價格大幅度下降，而價格大幅度下降又必須在白光LED形成一定的市場規模后才有可能。毫無疑問，兩者的融合最終有賴于高新技術的“日新月異”。

總之，大功率白光LED光源現已成為具有非常廣闊的發展前景和極大影響力的高新技術產品。隨著我國國民經濟的高速發展及低碳社會進程的加快，人們對新光源的需求與日俱增，LED光源必將為現代社會的節能、環保，為影視、舞臺藝術，為人們多姿多彩的生活立下汗馬功勞。

本系列文章撰寫過程中，陳國義、柳得安、王京池、甄何平、胡和義等專家都提出了很多寶貴建議；同時，文章陸續發表期間，眾多讀者給予了熱情的關注和肯定，在此一并表示感謝！當初，筆者寫此系列文章的指導思想是側重（影視、舞臺的）實際應用，側重科學普及，力求深入淺出。但由于本人的知識非常有限，因此文中可能有不當或錯誤之處，望得到同行們的斧正。

[1]沙占友等.LED照明驅動電源優化設計.上海：中國電力出版社，2011

[2]方志烈.半導體照明技術.北京：電子工業出版社，2009

[3]楊清德，楊蘭云.LED及應用技術問答.北京：電子工業出版社，2011

[3]施克孝，于寶富.彩色電視照明原理與布光技巧.北京：北京農業大學出版社，1988