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LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 1 一 一 LED 的的结结构构及及发发光光原原理理 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识 第一个商用二极管产生于 1960 年 LED 是英文 light emitting diode 发光二极管 的缩写 它的基本结构是一块电致发光的半导 体材料 置于一个有引线的架子上 然后四周用环氧树脂密封 起到保护内部芯线的作用 所以 LED 的抗震性能好 LED 结构图如下图所示 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片 在 p 型半导体和 n 型 半导体之间有一个 过渡层 称为 p n 结 在某些半导体材料的 PN 结中 注入的少数载流子与 多数载流子复合时会把多余的能量以光 的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 PN 结 加反向电压 少数载流子难以注入 故不发光 这种利用注 入式电致发光原理制作的二极管 叫发光二极管 通称 LED 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从 LED 阳极流向阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有关 二二 LED 光光源源的的特特点点 1 电压 LED 使用低压电源 供电电压在 6 24V 之间 根据产品不同而异 所以它是一 个比使用高压电源更 安全的电源 特别适用于公共场所 2 效能 消耗能量较同光效的白炽灯减少 80 3 适用性 很小 每个单元 LED 小片是 3 5mm 的正方形 所以可以制备成各种形状的器件 并且适合于易变 的环境 4 稳定性 10 万小时 光衰为初始的 50 5 响应时间 其白炽灯的响应时间为毫秒级 LED 灯的响应时间为纳秒级 6 对环境污染 无有害金属汞 7 颜色 改变电流可以变色 发光二极管方便地通过化学修饰方法 调整材料的能带结构和 带隙 实现红黄 绿兰橙多色发光 如小电流时为红色的 LED 随着电流的增加 可以依次 变为橙色 黄色 最后为绿色 8 价格 LED 的价格比较昂贵 较之于白炽灯 几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格 相当 而通常每组 信号灯需由上 300 500 只二极管构成 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 2 三三 单单色色光光 LED 的的种种类类及及其其发发展展历历史史 最早应用半导体 P N 结发光原理制成的 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初 当时所用的 材料是 GaAsP 发 红光 p 650nm 在驱动电流为 20 毫安时 光通量只有千分之几个流明 相应的发光效率约 0 1 流明 瓦 70 年代中期 引入元素 In 和 N 使 LED 产生绿光 p 555nm 黄光 p 590nm 和橙光 p 610nm 光效也 提高到 1 流明 瓦 到了 80 年代初 出现了 GaAlAs 的 LED 光源 使得红色 LED 的光效达到 10 流明 瓦 90 年代初 发红光 黄光的 GaAlInP 和发绿 蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功 使 LED 的光效得到大 幅度的提高 在 2000 年 前者做成的 LED 在红 橙区 p 615nm 的光 效达到 100 流明 瓦 而后者制成的 LED 在绿色区域 p 530nm 的光效可以达到 50 流明 瓦 四四 单单色色光光 LED 的的应应用用 最初 LED 用作仪器仪表的指示光源 后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示 屏中得到了广泛应用 产生了很好的经济效益和社会效益 以 12 英寸的红色交通信号灯为例 在美国本来是采用长寿命 低光效的 140 瓦白炽灯作为光源 它产生 2000 流明的白光 经红 色滤光片后 光损失 90 只剩下 200 流明的红光 而在新 设计的灯中 Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源 包括电路损失在内 共耗电 14 瓦 即可产生同样的光 效 汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域 1987 年 我国开始在汽车上安装高位刹车 灯 由于 LED 响应速度快 纳秒级 可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况 减少汽车追 尾事故的发生 另外 LED 灯在室外红 绿 蓝全彩显示屏 匙扣式微型电筒等领域都得到了应用 五 白光五 白光 LED 的开发的开发 对于一般照明而言 人们更需要白色的光源 1998 年发白光的 LED 开发成功 这种 LED 是将 GaN 芯片和钇铝 石榴石 YAG 封装在一起做成 GaN 芯片发蓝 光 p 465nm Wd 30nm 高温烧结制成的含 Ce3 的 YAG 荧 光粉受此蓝光激发后发出黄 色光发射 峰值 550nm 蓝光 LED 基片安装在碗形反射腔中 覆盖以混有 YAG 的树 脂薄层 约 200 500nm LED 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收 另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合 可以 得到得白光 现在 对于 InGaN YAG 白色 LED 通过改变 YAG 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度 可以 获得色温 3500 10000K 的各色白光 如下图所示 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 3 表一列出了目前白色 LED 的种类及其发光原理 目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上 YAG 黄色荧光 粉 其最好的发光效率约为 25 流明 瓦 YAG 多为日本日亚公司的进口 价格在 2000 元 公斤 第二种是日本住 友电工亦开发出以 ZnSe 为材料的白光 LED 不过发光 效率较差 从表中也可以看出某些种类的白色 LED 光源离不开四种荧光粉 即三基色稀土红 绿 蓝粉和石榴石结构的黄 色粉 在未来较被看好的是三波长光 即以无机紫外光晶片加 R G B 三 颜色荧光粉 用于封装 LED 白光 预计三 波长白光 LED 今年有商品化的机机会 但此处三基 色荧光粉的粒度要求比较小 稳定性要求也高 具体应用方面 还在探索之中 表 一 白 色 LED 的 种 类 和 原 理 芯片数激发源发光材料发光原理 蓝色 LEDInGaN YAG InGaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合成白光 蓝色 LEDInGaN 荧光粉 InGaN 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 蓝色 LEDZnSe 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混色成白光 1 紫外 LEDInGaN 荧光粉 InGaN 的紫外激发的红绿蓝三基色荧光粉发白光 2蓝色 LED 黄绿 LED InGaN GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起 构成白色 LED 3蓝色 LED 绿色 LED 红色 LED InGaN AlInGaP 将 发 三 原色 的 三 种 小 片封 装 在一 起 构成白色 LED 多个多种光色的 LEDInGaN GaP AlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起 构成白色 LED 采用 LED 光源进行照明 首先取代耗电的白炽灯 然后逐步向整个照明市场进军 将会节约大量的电能 近期 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 4 白色 LED 已达到单颗用电超过 1 瓦 光输出 25 流明 也增大了它的实用性 表二和表三列出了白色 LED 的效能进 展 表 二 单 颗 白 色 L ED 的 效 能 进 展 年份发光效能 流明 瓦 备注 19985 19915相若白炽灯 200125相若卤钨灯 200550估计 表 三 单颗白色 LED 输入功率10 瓦 发光效能100 流明 瓦 输出光能1000 流明 瓦 六六 业业界界概概况况 在 LED 业者中 日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度 LED 以及 蓝紫光半导体激光 Laser Diode LD 是业界握有蓝光 LED 专利权的重量级业者 在日亚 化学取得兰色 LED 生产及电极构造等 众多基本专利后 坚持不对外提供授权 仅采自行生产 策略 意图独占市场 使得蓝光 LED 价格高昂 但其他已具 备生产能力的业者相当不以为然 部分日系 LED 业者认为 日亚化工的策略 将使日本在蓝光及白光 LED 竞争中 逐步被欧美 及其他国家的 LED 业者抢得先机 届时将对整体日本 LED 产业造成严重伤害 因此许多业者 便千方百 计进行蓝光 LED 的研发生产 目前除日亚化学和住友电工外 还有丰田合成 罗沐 东芝和夏普 美商 Cree 全球 3 大照明厂奇异 飞利浦 欧司朗以及 HP Siemens Research EMCORE 等都投入了该产品的研发生产 对促进白光 LED 产品的产业化 市场化方面起到了 积极的促进作用 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 5 LED 小功率常用的驱动电路方式小功率常用的驱动电路方式 电容降压式电源电容降压式电源 将交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波 当受体积和成本等因素的限制时 最简单实用 的方法就是采用电容降压式电源 一 电路原理 电容降压式简易电源的基本电路如图 1 C1 为降压电容器 D2 为半波整流二极管 D1 在市电的负半周时给 C1 提供 放电回路 D3 是稳压二极管 R1 为关断电源后 C1 的电荷泄放电阻 在实际应用时常常采用的是图 2 的所示的电路 当需要向负载提供较大的电流时 可采用图 3 所示的桥式整流电路 整流后未经稳压的直流电压一般会高于 30 伏 并且 会随负载电流的变化发生很大的波动 这是因为此类电源内阻很大的缘故所致 故不适合大电流供电的应用场合 二 器件选择 1 电路设计时 应先测定负载电流的准确值 然后参考示例来选择降压电容器的容量 因为通过降压电容 C1 向负载提供 的电流 Io 实际上是流过 C1 的充放电电流 Ic C1 容量越大 容抗 Xc 越小 则流经 C1 的充 放电电流越大 当负载 电流 Io 小于 C1 的充放电电流时 多余的电流就会流过稳压管 若稳压管的最大允许电流 Idmax 小于 Ic Io 时易造成 稳压管烧毁 2 为保证 C1 可靠工作 其耐压选择应大于两倍的电源电压 3 泄放电阻 R1 的选择必须保证在要求的时间内泄放掉 C1 上的电荷 三 设计举例 图 2 中 已知 C1 为 0 33 F 交流输入为 220V 50Hz 求电路能供给负载的最大电流 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 6 C1 在电路中的容抗 Xc 为 Xc 1 2 f C 1 2 3 14 50 0 33 10 6 9 65K 流过电容器 C1 的充电电流 Ic 为 Ic U Xc 220 9 65 22mA 通常降压电容 C1 的容量 C 与负载电流 Io 的关系可近似认为 C 14 5 I 其中 C 的容量单位是 F Io 的单位是 A 电容降压式电源是一种非隔离电源 在应用上要特别注意隔离 防止触电 电容降压式电源原理及电路 3 采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路 由于其具有体积小 成本低 电流相对恒定等优点 也常应用于 LED 的驱动电路中 图一 为一个实际的采用电容降压的 LED 驱动电路 请注意 大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管 建议连接上 因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间 如雷电 大用电设备起动等 有效地将突变电流泄放 从而保护二级关和其它晶体管 它 们的响应时间一般在微毫秒级 电路工作原理 电容 C1 的作用为降压和限流 大家都知道 电容的特性是通交流 隔直流 当电容连接于交流电路中时 其容抗计算公式为 XC 1 2 f C 式中 XC 表示电容的容抗 f 表示输入交流电源的频率 C 表示降压电容的容量 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 7 流过电容降压电路的电流计算公式为 I U XC 式中 I 表示流过电容的电流 U 表示电源电压 XC 表示电容的容抗 在 220V 50Hz 的交流电路中 当负载电压远远小于 220V 时 电流与电容的关系式为 I 69C 其中电容的单位为 uF 电流的单位为 mA 下表为在 220V 50Hz 的交流电路中 理论电流与实际测量电流的比较 电阻 R1 为泄放电阻 其作用为 当正弦波在最大峰值时刻被切断时 电容 C1 上的残存电荷无法释放 会长久存在 在维修时如果人体接 触到 C1 的金属部分 有强烈的触电可能 而电阻 R1 的存在 能将残存的电荷泄放掉 从而保证人 机安全 泄放电阻的阻值与电容的大小有关 一般电容的容量越大 残存的电荷就越多 泄放电阻就阻值就要选小些 经验数据如下表 供设计时参考 D1 D4 的作用是整流 其作用是将交流电整流为脉动直流电压 C2 C3 的作用为滤波 其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压 压敏电阻 或瞬变电压抑制晶体管 的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉 从而保护 LED 不被瞬间高压击穿 LED 串联的数量视其正向导通电压 Vf 而定 在 220V AC 电路中 最多可以达到 80 个左右 组件选择 电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值 在 220V 50Hz 的交流电路中时 可以选择耐压为 400 伏以上的涤纶电容或纸 介质电容 D1 D4 可以选择 IN4007 滤波电容 C2 C3 的耐压根据负载电压而定 一般为负载电压的 1 2 倍 其电容容量视负载电流的大小而定 下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路 供设计时参考 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 8 在图 二 电路中 可控硅 SCR 及 R3 组成保护电路 当流过 LED 的电流大于设定值时 SCR 导通一定的角度 从而对电路电流进行分流 使 LED 工作于恒流状态 从而避免 LED 因瞬间高压而损坏 LED 基本知基本知识识培培训训教材教材 9 在图三电路中 C1 R1 压敏电阻 L1