LED光源探析.pdf

收稿日期 2010 03 15 作者简介 焦天福 1955 男 河南驻马店人 河南广播电影电视局无线电台管理中心主任 高级工程师 邵勇 1964 男 河南周口人 工程师 长期从事电子技术以及无线电子学研究工作 LED 光源探析 焦天福 1 邵 勇2 河南广播电影电视局1 无线电台管理中心 2 804中波转播台 郑州450001 摘要 介绍了LED光源的结构 特点及其在照明中的应用 指出了目前LED光源存在的问题并提出了初步的解决方案 和措施 关键词 LED 光衰 散热 光效 驱动电路 中图分类号 TM923 34文献标识码 A文章编号 1673 2928 2010 04 0019 03 1 引言 照明耗电在每个国家的总发电量中占有不可 忽视的比重 我国照明耗电大体占全国总发电量 的10 20 目前 我国电力生产火力发电还较 多 使用燃煤要产生大量的二氧化碳 二氧化硫 氮氧化物等有害气体 而且燃煤过程产生的粉尘 同样污染环境 1996年原国家经贸委制定印发了 中国绿色照 明工程实施方案 全面启动了绿色工程 绿色照明 执行至今天已取得了明显的社会效益和经济效益 绿色照明不是单纯的节能 而是建立在优质高效的 照明环境基础上的节能 这和我国当前提出的全面 建设小康社会的目标是一致的 研究生产和推广应 用优质高效的照明器材 是实施绿色照明的重要因 素 而光源又是其中的第一要素 高效光源有多种 类型 如直管荧光灯 紧凑型荧光灯 高强度气体放 电灯 以及LED固体光源等 其中LED灯是环保和 节能效果最好的固体光源 被称为第4代照明光 源 是21世纪的绿色 节能光源 2 LED 光源的结构及特点 LED Lighting Emitting Diode 即发光二极管 它是由 一 族化合物 如GaAs 砷化镓 GaP 磷 化镓 GaAsP 磷砷化镓 等半导体制成的 LED的 核心发光部分是P型和N型半导体构成的PN结 管芯 在正向电压下 注入PN结的少数载流子与 多数载流子复合时 就会发出红 黄 蓝 绿 青 橙 紫等可见光 发光颜色与材料有关 发光强度 取决于正向电流的大小 LED光源具有如下特性 1 高效节能 LED的工作电压较低 单管驱动电压一般为 1 5V 4V 白光LED的工作电压一般为3V 4V 工 作电流一般为mA级 直流供电 控制方便 LED经 过几十年的技术改良 其发光效率有了较大的提 高 目前 LED的发光效率已达50 200 lm w 电光 功率转换接近100 已达到荧光灯的水平 据业 内人士预测 在未来的几年内 LED的光效还会进 一步提高 LED的功率较小 耗电量很小 单管小 功率一般小于1w 单管大功率一般小于10w 实验 证明在相同照度的情况下 耗电量是所有光源中 最小的 节能效果十分显著 LED光源的效率高 产生热量较小 其表面温 度较低 与荧光灯差不多 实验证明 LED光源在 照射lm远 表面照度为2530 lx的物体时 物体表 面温度升高值几乎为零 即物体表面温度与环境 温度基本相等 常被称为固体冷光源 LED光源非 常适合在要求低温环境作业的特殊场所 例如 矿 井 酒吧 茶艺 舞厅 博物馆 洞穴照明等 但LED在工作时 其PN结仍产生一定的热 量 使得PN结的工作温度升高 PN结的工作温度 越高 发光效率越低 LED寿命越短 同时还会影 响颜色的鲜艳度 这就是光衰现象 2 长寿环保 LED光源采用环氧树脂或硅胶封装 灯体内固 定 结构坚固且寿命长 如果使用的电参数正常 其寿命可达6 10万小时 工作正常时荧光灯 金卤 灯的寿命为1万小时 比传统光源的寿命长6 10 倍 如果该灯每天工作按6小时计算 再考虑到其 它因素 潮湿 开关频繁 电压波动等 LED光源至 少可连续使用3年 还有LED光源本身不含汞 铅等有害物质 光 谱中无红外和紫外污染 不会在生产和使用中产 生对外界的污染 是名副其实的环保型绿色照明 安阳工学院学报 Journal of Anyang Institute of Technology 2010年8月 第9卷 第4期 总第46期 Aug 2010 Vol 9 No 4 Gen No 46 安阳工学院学报2010年 光源 另外 LED的发光夹角一般为21 23 具有 聚光比较好的特点 正是因为这样 更加适合一些 特殊照明要求 因此 LED光源具有节能 环保 寿命长 免维 护 易控制等特点 与传统的白炽灯 荧光灯光源 相比 有着无可比拟的优越性 是光源领域发展的 必然趋势 3 特殊的封装技术 LED的PN结区发出的光子是非定向的 即向 各个方向发射有相同的几率 因此 并不是管芯产 生的所有光都可以释放出来 光释放主要取决于 半导体材料质量 管芯结构及几何形状 封装内部 结构与包封材料等几个方面 应用中要求提高 LED的内 外部量子效率 提高光输出量 封装技 术是不可或缺的环节 封装内部结构与包封材料 必须做到尽可能多的光输出 采用不同的封装结构形式与尺寸 不同发光颜 色的管芯以及其双色 或三色组合方式 可生产出 多种系列 品种 规格的产品 根据封装结构 发光 颜色 芯片材料 发光亮度 尺寸大小等特征 LED 产品有多种分类方法 从LED产品的封装结构来 看 主要引脚式封装 表面贴装封装 功率型封装3 种类型 小功率多采用引脚式封装 大功率采用表 面贴装或功率型封装 LED常采用环氧树脂和软 性硅胶封装 小功率LED多采用环氧树脂封装 大 功率LED多采用软性硅胶封装 白光LED的发光机理和结构与红 绿 蓝等单 色光明显不同 白光LED的封装更具有特殊性 半 导体PN结的电致发光机理决定LED不可能产生 具有连续光谱的白光 同时单只LED也不可能产 生两种以上的高亮度单色光 只能在封装时借助 荧光物质 蓝或紫外LED管芯上涂敷荧光粉 间接 产生宽带光谱 合成白光 或采用几种 两种或三 种 多种 发不同色光的管芯封装在一个组件外壳 内 通过色光的混合构成白光LED 白光LED的封 装技术更加复杂 光衰和光通量问题表现的更加 严重 目前LED产品有单管芯封装 多管芯封装以及 与驱动电路共同封装等多种 单个管芯一般构成 点光源 多个管芯组装一般可构成面光源和线光 源 实际应用中 可以把多个LED产品进行适当的 组合 用作信息 状态指示及显示用 例如 发光显 示器产品也是用多个管芯 通过管芯的适当连接 包括串联和并联 与合适的光学结构组合而成的 构成发光显示器的发光段和发光点 不管封装结构如何变换 LED封装的最终目标 是实现微型化 应用简单 寿命长 价格普及 其 中 如何消除LED工作中产生的热 提高LED的 性能和寿命是各个厂家着力解决也很难完善解决 的难题 3 LED 光源在照明中的应用 LED拥有色彩丰富 体积小 寿命长 便于控 制 维护成本低 环保和节能等一系列其他光源无 法替代的优点 目前 国外已经研制了各种颜色 包括白光 的LED以及各种驱动芯片 技术已十 分成熟 价格也可以接受 特别是大功率LED的突 破 LED照明已很普及 国内各企业在国家政策的 扶植下 已经开发生产了多种颜色和功率的LED 光源以及各种性能优良的驱动芯片 国内已经生 产出了功率高达10 w以上 的单只LED器件 使 得LED亮化上了一个更高的档次 另外 LED光源 的高质量驱动电路对提高照明系统效率和照明质 量也起到不可忽视的作用 LED的应用范围日趋 广泛 除了传统的各种仪表显示 背光光源外 目 前已普及到以下领域 1 交通信号灯及指示照明 由于红 黄 绿光LED有亮度高 寿命长 省电 等优点 在交通信号灯市场的需求大幅增加 据有 关资料 如今所有大中城市的交通信号灯已几乎 全部更换为LED产品 小城市的交通信号灯也正 在更换或准备更换 2 特殊场所照明 与传统光源比较 LED光源具有不需要附加 滤光装置 照明系统简单 易于安装的特点 现已 被广泛应用于象矿井 隧道 洞穴 博物馆 展示厅 这样对光源的颜色 热辐射等指标要求高的场所 照明 例如 LED矿灯的使用 极大的减少了安全 隐患 目前LED矿灯已普及到各种大中小矿 3 夜景照明 由于LED光源小而薄 安装便捷 可以水平也 可以垂直方向安装 可与建筑物表面完美地结合 也可以与城市街道陈设很好的有机结合 可以在 城市的休闲空间如公园的路径 滨水地带 园艺进 行照明 也可以在街道边的花卉或低矮的灌木进 行照明 作为景观照明灯具 LED与霓虹灯相比 具有低电压安全可靠 节能环保 密封性能好 没 有易碎的玻璃 也不会因为制作中弯曲而增加费 用等优点 已基本取代了霓虹灯 4 风景区照明 LED光源在风景区的应用 是目前的一种新趋 势 对LED进行组合可以形成点发光 线发光 面 发光等多种形式 满足景区不同的亮化需求 在景 区亮化工程中大量使用可以达到其他光源达不到 的效果 并且其还具有节能环保的意义 20 第四期 焦天福邵勇LED光源探析 5 室内照明 高光效 大功率白光LED的出现 使得替代白 炽灯 荧光灯等作为照明光源成为现实 LED光源 在家庭 工厂 学校等室内照明中已十分普及 与 其他光源相比 寿命更长 降低了维护费用和更换 光源的频率 且没有热辐射 可以使室内空间变得 更加舒适和谐 除上述应用外 LED电子显示屏因其亮度高 画面清晰 色彩鲜艳 在众多媒体显示领域一枝独 秀 全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注 目的户外大型显示装置 采用先进的数字化视频 处理技术 具有无可比拟的超大面积与超高亮度 目前 已有6000平方米以上的LED显示屏出现 4 LED 光源存在的问题及解决措施 LED光源极具优越性 但目前技术及价格问 题还没有完全解决 LED光源的普及应用受到了 一定制约 1 光衰现象及散热措施 当LED的正向电流流经PN结时 PN结仍产 生一定的热量 使得PN结的工作温度升高 PN结 的工作温度越高 发光效率越低 LED寿命越短 同时还会影响颜色的鲜艳度和亮度 这就是光衰 现象 LED可以在 40oC 85oC的环境中工作 一般 发光效率最好的环境温度是 40oC 40oC 超出此范 围发光效率将大幅降低 光衰问题必须有效控制 否则将严重影响照明质量 散热对保持色纯度与发光强度非常重要 散 热设计是LED能否成功应用的关键技术 LED封 装时必须充分重视 以保证PN结的温度不超过允 许温度 这就需要改进封装结构 引入全新的LED封 装设计理念和低热阻封装结构及技术 改善LED 的热特性 我们必须选择散热较好的LED光源 同 时在驱动电路的设计上充分做到散热良好 2 光效及价格问题 替代白炽灯 荧光灯等作为照明光源 白光 LED必须具有150 2001m w的光效 目前已有多 种超过1501m w的白光LED可供选择 充分满足 LED光源高亮度照明要求 但价格普遍较高 为了 达到高效 节能 环保的要求 在需要高亮度照明 的环境 我们首先需要选择光效超过1501m w的 白光LED 并且考虑到市场上大功率LED的技术 成熟问题 应选择1到5w的大功率LED 根据照 明功率要求 进行合理组合 因为 目前 5w以上的 大功率LED的光衰问题 技术上解决得还不够理想 5 结语 LED的发光效率近似100 且无污染 在照明 工程中推广和普及使用LED 将为节约我国宝贵的 资源 保护我们脆弱的环境发挥出巨大的作用 随着LED芯片制造技术的发展 它的亮度会 不断提高 价格也会不断下降 LED取代白炽灯和 荧光灯 步人千家万户 成为本世纪的主导光源是 历史之必然 本世纪的