照明的革命：探讨照明技术细节

白炽灯曾被称为基本上是电力空气加热器，而灯光仅仅是一种副产品。它们效率很低，浪费了95%的电能。根据国际能源机构的统计，所有能源的20%用于照明（2006年6月），而其中有一半的能源被浪费。

照明正在经历一场革命，这场革命在20世纪60年代General Electric发明可见光谱LED和随后在20世纪70年代发明节能灯（CFL）的时候就已经开始了。从那以后，各种各样的灯具开始流行，而且都具有更高的发光效率（请参见图1）。由于对能源的需求降低，较高的效率减少了生产成本和污染，从而就减少了温室气体的排放。但是能源效率仅仅是推动这场革命的四个因素之一；另外三个因素是美学，寿命和灵活性。

 
流明每瓦：白炽灯，A-line卤素灯，白光LED，水银蒸汽灯，直管荧光灯，紧凑型荧光灯，高压钠灯，金属卤化物灯

图1：灯具效率（源自：Madison Gas & Electric）

灯具比较

高强度放电（HID）灯是优秀的发光设备。水银蒸汽灯，高压钠灯和金属卤化物灯就属于这种类型，但是因为水银灯含有水银，因此并不受欢迎。尽管高压钠灯灯光偏向橙色，但是由于其具有最优良的发光特性，因而仍然颇受青睐。虽然这种颜色接近于我们视觉最敏感的中心区域，只需要消耗较少能量就能有清晰的照明效果，但是在某些情况下仍然不尽人意，比如阅读的时候。这就是它们最常用于街道和公路照明的原因。而金属卤化物灯尽管能发出明亮的白光，却不如钠灯效率高。

荧光灯在全世界的办公楼中作为照明工具。它们具有很长的寿命，是白炽灯寿命的十倍。但是它们仍然发出“有色”的灯光，人们抱怨称其可能会引发从偏头痛到癫痫之类的疾病，并且它们产生让人讨厌的闪烁。尽管现在几乎所有的镇流器都是电子器件，从实质上消除了闪烁问题，但是仍然有许多老式镇流器正在使用。关键是人们要对光线敏感并且关系这个问题。

璀璨的LED

归功于巧妙的掺杂技术，LED现在已经能够发出整个可见光谱的光线了，而紫外和红外的部分则更少。LED能够发出任何其他灯具所发出的灯光颜色，并且LED的寿命比白炽灯高50倍。（请参见图2）。50倍的寿命意味着您可以在同一盏灯下面工作21年（每天8小时，午饭1小时，每周5天）！LED是固态的，没有灯丝断开的情况，因而具有抗震性能。

大功率LED方案的一个弱点是它们较高的实现成本。多组紧凑排列的LED才能与HID灯的发光强度相等，并且尽管LED具有高效率，但是它们会产生热量，必须进行散热。一些大功率LED行业专家将发热问题视为所有问题中最困难的挑战。诸如Papst，NMB，Aavid，Wakefield和Sanyo Denki等公司都在提供散热方案，然而散热系统意味着成本增加。

大功率LED

大功率LED的相对优势正在推动更多的应用，使得用量更大，因而建立更大规模，更低成本的经济结构。例如，与电视背光应用一样，照相机中的闪光灯和自动对焦已经实现大功率LED的应用。来自National Semiconductor的LP55271闪光灯控制器，Fairchild的FAN5614驱动器和ON Semiconductor的NCP5010集成背光驱动器能提供完整的解决方案，减少了器件的数量。

大功率LED本身就具有安全性。它们通过低电压工作，触摸时通常温度较低。因为有了大功率LED，才让2008年北京奥林匹克运动会开幕式展示了绚丽多姿的一幕。

使用大功率LED可以生产体积更加小巧的照明设备。我现在撰写这篇文章的笔记本电脑在机壳下方就有一个白光LED用于键盘照明。大功率LED具有灵活性，并且是唯一一种同时具有节能，美观，寿命长等特点的灯具。

Cree，Philips Lumileds，Osram Opto Semiconductors，Avago和Optek是大功率LED的主流制造商。CML Innovative Technologies和Dialight Lumidrives是大功率LED封装的领导厂商，提供灯管，光学引擎和巧妙的封装选择 – 其中一些封装方式带有能与标准白炽灯插座相匹配的基座。

数学换算

某些LED数据手册用坎德拉（cd）作为光输出单位，而有些则使用流明。 坎德拉是发光强度的国际标准单位。而发光强度是亮度的度量标准。流明（lm）是光通量的国际标准单位 – 即接收到的光能量。如果一个光源被某些不透明物体阻隔了一半的光亮，则其光通量只有全部发光量的一半，而发光强度并没有改变。

为了对比LED和其他灯具，您可能不得不在 坎德拉和流明之间进行转换。所使用的公式是：
1 lm = 1 cd • sr
sr是球面度的简写。一个球体的球面度就相当于一个圆圈的弧度。

想象一个半径为I的球体中心有一个LED灯。该LED灯将发出一束锥形的光，照亮球体内一个弧形盖的形状。这种形状实际上称为“球冠”。该球冠的面积除以整个球体的面积再乘以4π即所需的球面度值。球冠的面积通过以下公式计算：
球冠面积 = πh (3a2 + h2)/6

图2：灯具寿命

文章中的图片显示了一个球体中的h和a值。要求得a值就需要知道光源的视角和一些三角学知识。视角可在数据手册中找到，但是您需要谨慎使用这些数据；该公式假定了一个具有理想边缘的圆锥，当然在实际上并非如此。

现代照明方案需要使用各种各样的电子器件。这可能是白炽灯唯一的好处 – 它们很简单并且不需要镇流器。

LED和镇流器

镇流器对灯具中的电流进行控制，而任何不能限制其自身电流的灯具都需要一个镇流器。镇流器最初由被动器件组成，包括Cornell Dubilier，Vishay，Ohmite，Rohm和Weilwyn在内的供应商正在不断创新，以使这些器件能够承受增加的热量，并且使用无害材料和达到更小的体积。但是现代镇流器也包含了来自International Rectifier，Farichild，ON Semiconductor，Allegro，Zetex，Exar和Micrel的半导体分立器件。

您也许会惊讶LED也需要镇流器，否则过高的电流会损坏LED。采用高于LED的VF的电压会造成损坏，因此可以用一个简单的电阻作为镇流器。这种方法再电流较小的时候很有效，比如用于电路板级的指示灯LED，但是大功率LED需要大功率的电阻，这就极大的降低了节能效率。半导体公司用主动器件来调整LED电流，从而允许电压变化并且去除了大功率电阻。

当大功率LED以灯组的形式替代主要由高电压供电（例如电线电压）的白炽灯时，串行连接是可行的。串行连接的优点是LED具有完美的色彩和强度一致性。Linear Technology，International Rectifier，National Semiconductor，Texas Instruments，Maxim，Micrel，Allegro，Intersil和STMicroelectronics都在设计LED镇流器方案（aka驱动器）。Texas Instruments的TLC5928就是这种器件。

连接和控制

LED的可靠性使串行连接成为一种可行方案。只要是用白炽灯灯带装饰过圣诞树的人都知道，要找到一个烧坏的灯泡是多么困难。尽管LED已经有了几十年的历史，但是仍然需要设计巧妙并且可靠的机械连接，比如由Tyco和Molex提供的方案。

色彩控制器诸如Cypree Semiconductor的EZ-Color™ HB LED控制器和Avago的ADJD-J823为大功率LED提供最终方案。尽管任何微控制器都具有这种功能，但Cypress和Avago为多个彩色LED的色彩控制设计了专门的解决方案，能够发出任何一种颜色或混合颜色的光，并且提供所有范围的发光强度。

如果要在不同强度和温度情况下保持色彩稳定，就必须精确控制电流。当灯光被调暗时色彩调整会变得困难。色彩控制器包含了温度和光反馈传感器。比如Avago的ADJD-S311-CR999色彩传感器能够反馈色彩信息。这些器件包含了三个色彩传感器，就像我们的眼睛，并且提供一个开发工具：HDJD-JD07。