水草造景燈具之LED燈

LED的簡介

真正的三基色燈珠，最明顯的標誌就是6個引腳

發光二極體（英語：Light-Emitting Diode，縮寫：LED）是一種能發光的半導體電子元件，透過三價與五價元素所組成的複合光源。此種電子元件早在1962年出現，早期只能夠發出低光度的紅光，被惠普買下專利後當作指示燈利用。及後發展出其他單色光的版本，時至今日，能夠發出的光已經遍及可見光、紅外線及紫外線，光度亦提高到相當高的程度。用途由初時的指示燈及顯示板等逐漸發展至普通照明用途。

發光二極體只能夠往一個方嚮導通（通電），叫作正向偏置（正向偏置），當電流流過時，電子與空穴在其內重合而發出單色光，這叫電致發光效應，而光線的波長、顏色跟其所採用的半導體物料種類與故意摻入的元素雜質有關。具有效率高、壽命長、不易破損、反應速度快、可靠性高等傳統光源不及的優點。白光LED的發光效率近年有所進步；每千流明成本，也因為大量的資金投入使價格下降，但成本仍遠高於其他的傳統照明。雖然如此，近年仍然越來越多被用在照明用途上。

LED的發展史

1961年，美國公司德州儀器的Robert Biard與Gary Pittman首次發現了砷化鎵及其他半導體合金的紅外放射作用。1962年，通用電氣公司的尼克·何倫亞克開發出第一種可實際應用的可見光發光二極體。

1993年，日本日亞化學工業（日語：日亜化學工業）（Nichia Corporation）工作的中村修二成功把鎂摻入，造出了基於寬能隙半導體材料氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN）、具有商業應用價值的藍光發光二極體。 2014年憑藉「發明高亮度藍色發光二極體，帶來了節能明亮的白色光源」， 中村修二與天野浩及赤崎勇得到諾貝爾物理學獎。

有了藍光發光二極體後，白光發光二極體也隨即面世，之後LED便朝增加光度的方向發展，當時一般的LED工作功率都小於30至60mW（毫瓦）。1999年輸入功率達1W（瓦）的發光二極體商品化。這些發光二極體都以特大的半導體晶元來處理高電能輸入的問題，而半導體晶元都是被固定在金屬片上，以助散熱。

2002年，在市場上開始有5W的發光二極體的出現，而其效率大約是每W （瓦）18-22 Lm（流明）。

2003年9月，Cree, Inc.公司展示了其新款的藍光發光二極體，在20mW下效率達35%。他們亦製造了一款達65 Lm/W（流明每瓦）的白光發光二極體商品，這是當時市場上最亮的白光發光二極體。2005年他們展示了一款白光發光二極體原型，在350mW下，創下了每瓦70 Lm的記錄性效率。

2009年2月，日本發光二極體廠商日亞化學工業（日語：日亜化學工業）發表了效率高達249 Lm/W的發光二極體，此乃實驗室數據。

2010年2月、Philips Lumileds造一白色LED在受控的實驗室環境內，以標準測試條件及以350mA電流推動下得出208Lm/W，但由於該公司無透露當時的偏置電壓，所未能得知其功率。

2012年4月、美國發光二極體大廠科銳（Cree）推出254 Lm/W光效再度刷新功率。

白光LED的生產技術

白光LED的生產技術目前主要有3種：

白光LED的成色原理

第一種：利用三基色原理和目前已能生產的紅、綠、藍三種超高亮度LED按光強3:1:6比例混合而成白色光。這樣產生的白光發光二極體有較廣的色域，而且光效較其他方法高，不過成本也比較高。近年在生產技術的改進下，越來越多產品採用這方法。

一般的三基色燈珠都是6隻引腳的，還有一種三基色燈珠，把6個引腳中的3個做到了一起，稱為「共用陰極」技術，簡稱「共陰」，這樣的三基色燈珠有4個引腳，也比較容易辨認。

共用陰極三基色燈珠

第二種：是用紫外光LED照射兩種熒光劑，使其中一種含銪的熒光劑產生紅光和藍光，同時使另外一種含銅的熒光劑產生綠光，三種顏色的光混合而成白光。 但由於紫外線會使黏合劑中的環氧樹脂劣化變質，所以生產難度較高，而且壽命也較短。與第一種方法比較，光波在轉化過程中有較多被轉化成熱能，因此發光效率 較低，但好處是光譜的特性較佳，產生的光比較好看。而由於紫外光二極體功率較高，所以其總效率雖比第一種方法低，但最終的亮度卻差不多。

第三種：也是最早問世的白光LED，利用超高亮度藍色LED照射熒光劑，使它能激發出黃光，這種黃光能刺激人眼中的紅色及綠色視錐細胞，給人的感覺好像是同時看到了紅光和綠光一樣，再混合剩餘的藍光，就產生了類似白光的「偽白光」。

而其所呈現的色澤常被稱作「月光的白色」。基於其光譜缺乏紅綠光的特性，紅色和綠色的物體在這種發光二極體照射下看起來會不及寬頻譜光源照射時那麼鮮明。另外由於生產工藝的波動，這種發光二極體成品的色溫並不統一，從暖黃色到冷藍色都有，最後還要按成品的色溫進行篩選。

白光LED

白光LED的光譜

先看下圖偽白光LED的光譜與普通白熾燈光譜的對比，可以看出這種LED的光譜中紅色光比較缺乏。

紅光的波長介於620到750nm之間，在620到650nm這個比較窄的區間里，偽白光LED發出的橙紅色光要略強於普通白熾燈，但在650到750nm這個廣泛的區間內，白熾燈發出的正紅色光要遠遠多過偽白光LED，而且波長越長，相對發光強度越大。超出750nm的部分，為肉眼不可見的紅外線，普通白熾燈的光譜中含大量紅外線，所以這種燈具發出的光具有很高的熱能，在冬季養殖爬行動物經常會用它來加溫，而偽白光LED在超出750nm的紅外線部分幾乎可以忽略不計，沒有紅外線產熱，這也是人們將LED列為冷光源的重要原因之一。（LED燈珠還是會發熱的，有些熱量甚至很高，但LED發出的光線通常是不會產熱的）水草最需要的是紅色和藍色光，偽白光LED能夠提供充足的藍色光，但是缺乏紅光是一個致命的弱點，這往往成為偽白光LED燈具的一個短板，很多早期的LED水草燈具養草效果很差就是因為這個原因，另外因為它的光譜中較少紅綠光，使得紅色及綠色水草的顯色也不大正常，這就更加雪上加霜，使得很多早期LED玩家出現一個認識上的誤區就是LED燈沒法養好水草，進而否定所有的LED燈具，其實這是不正確的想法，即便是偽白光LED，在燈珠數量足夠多的情況下，也可以彌補紅光缺乏的弱點，當然這種燈具絕對不會比普通的熒光燈省電，而且顯色性也差一些，另外據說藍光過多也容易導致某些藻類暴發，總體來說不大適合養水草，但是使用得當的話，也不是完全不可以的。值得注意的是，某些成品偽白光LED燈號稱能夠養水草，但是單個燈珠瓦數不大而且燈珠排列又特別稀疏，這樣的LED燈只能用來養魚，養水草的話可以說是慘不忍睹，陰性草都未必能夠養活，這種燈多見於小型成品缸上，魚友購買時要特別謹慎。

再來看一下三基色LED的光譜圖：

可以看到藍、綠、紅3個明顯的波峰，接下來再對比一下飛利浦965熒光燈的光譜圖，它和我們常用的飛利浦865燈管光譜幾乎一樣，就是顯色性更好，因為性價比的關係，人們更多會選擇865而不是965燈管。

飛利浦965熒光燈的光譜圖

可以看出，飛利浦965燈管的光譜與三基色LED燈的光譜沒有太大區別，只是橙色光略多一點點而已。也就是說，能用飛利浦865燈管養好的水草，一般都能用三基色LED燈養好，只要功率足夠就行。三基色LED燈也是三種LED燈中最適合養水草的（紫外光LED雖然也是靠紫外線照射熒光劑發出三原色光混合成白光，但其價格較高且壽命較短，市場上幾乎買不到，而且它的各方面性能均不如三基色LED）。

LED燈的優點及缺點

①比較省電：在低光度下LED燈將電能轉換成光能的效率較高，非常適合在低光度需求中（如手提電話的背光、夜燈）使用。當提高光度至檯燈般或更高時，發光二極體的發光效率雖然會有所降低，但只比熒光燈低一點點，比普通白熾燈還是要高一些。

②使用壽命長、反應時間短（以ns為單位）：LED燈可以達到很高的閃爍頻率，且不因連續閃爍而影響其壽命。在實驗室的理想環境下可達到10萬小時的壽命，即便是在50度以上的高溫，使用壽命還有約4萬小時，遠超T8熒光燈管的8000小時，和T5燈管的2萬小時。

③耐震蕩等機械衝擊：由於LED燈都是固態元件，沒有燈絲、玻璃罩等，相對熒光燈、白熾燈等能承受更大震蕩。

④體積小：LED發光體其本身體積可以造得非常細小（小於2mm），便於聚焦。因發光體體積極小，而易於以透鏡等方式達致所需集散程度，藉改變其封裝外形，其發光角度由大角度散射至小角度聚焦都可以達成。

⑤安裝比較方便：LED燈珠採用串聯的方式，便於DIY，也有利於分路控制。燈具的形狀可以根據環境隨意改變，可塑性極強。一般不需要專用的反光板，也不需要鎮流器，可以做出超薄超窄的輕便燈具。

①光效較低：發光二極體在高光度下效率較低，在一般照明用途上仍比熒光燈耗電，有些發光二極體燈甚至比省電燈泡效率還要低。

②發熱較多：光效受高溫影響而急劇下降，浪費電力之餘也產生更多熱，令溫度進一步上升，形成惡性循環。除浪費電力也縮短壽命，因此需要良好散熱。

③需要專用電源：由於LED的驅動電壓較低，一般家用電壓為100V~240V，需要將LED及變壓器包裝為燈泡或燈管才能應用於家中，而在降低成本的考量下，許多市售產品搭配品質較差的變壓器，而加快損壞的可能。

④成本較高：因為發光二極體為點光源，發光點面積小、分布較集中，作照明用途時會刺眼，必須運用光學設計分散光源。所以增加了一些透鏡等光學元件以及散熱設備，使得成品的價格明顯增高。另外發光二極體光度並非與電流成線性關係，光度調節略為複雜。成本較高，售價因此也較高。

⑤演色性仍待加強：傳統燈泡、鹵素燈演色性極佳，而熒光燈管也容易找到高演色性的產品，但偽白光LED的演色性始終較差，三基色正白光的演色性目前與熒光燈管比較接近。每枚發光二極體因生產技術問題都會在特性（亮度、顏色、偏置…等）上有一定差異，即使是同一批次的發光二極體差異也不少。許多LED有過藍的問題。

最早的LED水草燈是玩家用紅、綠、藍三色燈珠按比例混搭製成的，當時還沒有三基色LED燈珠，而且單色燈珠的瓦數通常也比較小，所以需要大量的燈珠密集排列在一起，發熱相當高，需要專門的降溫風扇和散熱片。下圖就是一個台灣玩家DIY的LED燈，用了256顆紅燈珠、128顆綠燈珠和128顆藍燈珠。

這個34瓦的自製大功率LED燈經11周測試完全能夠在40標準缸養爬牛毛氈並且令小水蘭暴缸，下面是開缸七周後和十一周後的對比圖：

隨著大功率三基色LED燈珠的問世。LED水草燈也開始了日新月異的發展，燈珠數量越來越少，燈具體積越來越小，因為不需要龐大的反光板，只需要一個小小的透鏡，就能讓燈珠把絕大多數光線匯聚到底床上，所以LED燈具通常都可以做得很薄很窄，這樣方便日常擦缸、修剪等維護，既不用把燈具吊高也不用將其翻起來，只需前後推動燈具即可獲得充裕的空間。而且很多廠家用亞克力來製作燈體，使得整個燈具具有一種通透感，看上去好像和下面的超白缸渾然一體，這也是其他燈具做不到的地方。

LED燈用於水草缸的照明上比較難以評估其效果，常用的測流明的方法會出現較大誤差，所以業界多採用測PAR的方法代替。 首先解釋一下什麼叫PAR，PAR是英文「Photosynthetic Active Radiation」的縮寫，這三個單詞的含義如下：

Photosynthetic（光合作用的）Active（活躍的、積極的）Radiation（放射線）

中文翻譯成「光合作用有效能量」，指的是在每單位面積每單位時間內，介于波長 400 至 700 nm 光譜範圍內的照射光能。單位為 PAR J/(m^2/s) 或 PAR W/m^2。（舉例來說，假如一個底面積為1平米的草缸，它的底床部位測出PAR為500W/m^2，就意味著它的有效照明為500瓦，低於400納米和超過700納米波長的光線對光合作用基本無效，這些光線所產生的能量沒有被計算在裡面。）

還有一種常用的PAR測量單位是μmol/m^2/s，指的是在單位時間內，通過單位面積的符合條件的光子數目（所謂的符合條件是指光的波長介於400到700 nm之間）。舉例來說，某處的PAR為50μmol/m^2/s，意味著在那個地方，每平米範圍內每秒鐘會有50微摩爾的光子通過（不符合條件的會被排除在外）。一摩爾的光子（6.022*10^23個）又稱為一E，因為愛因斯坦（Einstein）是光電效應的發現者，因此科學界以他名字的第一個字母E為單位來紀念他，所以50μmol/m^2/s也可以寫成50μE/m^2/s。

測PAR是比測流明更好的光合作用效能測量方式。用PAR來測量LED燈的性能會比較精準，但是需要專門的設備，常用的是光量計（Quantum Meter，見上面的圖），用它來測量草缸底床部位的PAR即可確定當前的燈具是否能夠養好水草。

因為光量計比較昂貴，動輒就要幾千元，而且用處也不多，普通玩家很少願意買這樣的設備，所以需要更方便的方法來估算LED燈是否達標。

來源：菠蘿兔

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