浅谈LED光源的特性.doc

1、引言 20世纪中叶出现在市场上的第一批LED发光二板管，经过近50年历程，技术上已取得长足的进步。发光效率达到50Lm/w，光强达烛光级，辐射颜色形成包括白色光的多元化色彩，寿命达数万小时。尤其近10年中，LED的质量提高了10倍，而制造成本下降到早期的10分之一，这个趋势正在进一步疾速地延续之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中板具影响的新产品，在显示技术领域中占有其特殊的举足轻重的一席之地。更由于LED的低压供电，附件简单，结构紧凑，可控性强，色彩纯正和丰富，高亮度、高防潮、防震性能节能环保等一系列优点，使LED成为室内外景观照明的优选产品和任何辐射光源，低气压放电光源及高强度光源一样，LED光源也有着自己的基本特征与特性，本文浅谈LED光源的基本特性。 2、LED工作机理 LED是LightEmittingDiode（发光二极管）的简称，它是一种半导体二极管。结构上是一种允许电流单向导通的器件。通常是采用两种性质有细微差异的材料构成的PN结组成（如图1所示），P面是带过量的负电荷（通常称“空穴”），N面是带过量的负电荷（电子）。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动，而空穴从P区向N区移动，在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。 LED发光的颜色由组成的半导体的材料决定。目前照明领域使用的LED有两大类：一类是磷化铝，磷化镓和磷化铟的合金（AlGalnP或AlInGaP）可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一类是氮化铟和氮化镓的合金（InGaP）来做成绿色、蓝色和白色的LED。值得注意的是只要合金组分有细微的变化 ，发光颜色就会有比较大的改变。 3、LED的伏安特性 LED的伏安特性如图3所示，它与通常的半导体二级管伏安特性大致相同。可以近似认为电流I与电压V的n次方成正比，电压V较小时电流I主要为漏电流，数值很小。随着外加正向电压增大达到PN结内部电位差时，正向电流急剧加大，LED的驱动电路必须考虑这一特点，在电路中需要串联适当数值的电阻限制电流，以防止烧毁PN结。在驱动电源电压时，串联电阻大小决定了LED的工作电流。 4、LED的光性能 4-1LED的光输出 与目前的照明光源相比，LED的光输出仍相对比较低，因此还得采用多个LED的阵列或其它结构来进行照明应用，目前实验室状态下的单个白光LED的光输出已经接近100流明。另外LED的光通量还和输出波长有关。表1出了目前各种颜色的照明用LED达到的光通量水平。 表1各种LED的光通量水平 颜色 光通量（lm） 白光 18-87 蓝光 7-30 绿光 25-120 黄光 20-69 红光 25-55 4-2LED的光束角 早期的LED的光束角比较窄，给照明应用带来很大困难。目前经过对LED的结构改进，可以得到余弦的光型分布。现在可以在LED内加上控光器件来达到适合不同用途的光型分布。另外在设计照明系统时，还可以通过外部灯具来进一步调整光型分布，以达到更好的应用效果。 早期的LED是作为指示用途的，因此结构设计成光线向前发射，目前可以对结构进行调整，可以得到各方向发光的LED，当然LED的散热基片会影响发光的方向。 4-3LED的高亮度和光输出的关系 在以前，所有的LED制造商都是用发光亮度来标定LED的性能的，亮度的单位是是坎德拉（Candela），因为那时的LED主要是作指示用途，所以不考虑光通量输出的情况。在LED的不同方向的发光亮度有很大的差别，而且不同的光型分布也会对发光亮度的大小有影响，因此用发光亮度数据来衡量光通量是不合理的。我们在考虑LED的光通量输出的大小时，不仅要考虑发光亮度的最大值，还要考虑其光束角的大小。在两个LED的光通量输出相同的情况下，光束角的不同会使它们的发光亮度差别十分大。目前LED的光束角的范围大概是6-100度，因此使用亮度来表示照明LED的性能不确切，应该采用光通量输出来标定。 值得注意的是，当我们用光束角很小的LED阵列设计时，由于安装位置的小变化或者瞄准角度的偏差都会给实际的使用效果带来很大的影响。 5、LED的电特性 LED是低电压工作的电子元件，一般指示LED采用2到4V的直流电进行驱动，其电流范围约1到50mA。对于照明LED系统来说，单个LED需要的驱动电压是相同的，但电流会大些，一般会达到几百毫安。在使用多个LED串联的结构可以使用高电压来驱动。 LED是单向导通的，反向的电压会损坏LED。因此生产商需要标明LED所能够承受的反向电压，一般在5V左右。 表2给出了LED的电气特性参数。 图4给出了LED在标准大气压25时的典型电气特性曲线。 表2 LED的电气特性参数 参数 兰 兰绿 绿 白色 琥珀色 橙红 黄 单位 反向电压 5 5 5 5 5 5 5 V 顺向电流 50 50 50 50 30 30 30 mA 峰值顺向电流 200 200 200 200 200 200 200 mA 消耗功率 180 180 180 180 100 100 100 mW 工作温度 -40+85-40 贮存温度 -40+100-40 管脚焊接温度（距离胶体4mm）：5秒内260 6LED的热性能 6-1热作用对LED的影响 根据试验发现，在环境温度低时LED的光输出会增加，而高温会导致光输出的下降。在环境温度高或大电流工作的情况下，会使LED的工作温度升高。如图5所示。在LED工作电流恒定的条件下，光通量的输出由PN结的温度决定。总体来讲InGaN系列的LED受温度的影响小于AlGalnP系列。 为了保持LED的光通量输出在环境温度变化的情况下保持不变，目前有一种技术，可以采用一个反馈的补偿电路来调整LED的工作电流来达到。但这种方法可能使LED在很高的环境温度下工作时，工作电流过大致使用寿命的降低。 大部分LED生产商都给出了LED光输出和PN结温度关系的曲线，不同的LED厂家在具体数据上是有一定差别的。需要指出的是，一般曲线的温度是PN结的温度而不是环境温度。通常在制造商推荐的工作电流下工作时，在普通的环境温度（2025）条件下PN结的温度已经比较高（6080）。PN结的温度主要由环境温度、工作电流和散热装置的性能决定。通常因为照明系统要在温度变化较大的情况下工作，因此在LED照明系统中会采取很多散热措施来进行强制冷却。 长时间的受热可以明显降低LED照明系统的使用寿命，高的环境温度会导致高的PN结温度，这会导致PN结的损耗速率加快，这就使LED的寿命下降并在整个寿命期间的光衰速度加快。因此，目前控制LED的工作温度成为优化LED照明系统的关键技术。 6-2散热对LED的重要性 通常LED可以被认为“冷”光源，因为它的光谱中不像白炽灯那样有大量的红外辐射，因此它的发光不会产生很多热量。但LED在其PN结上还是会产生相当的热量，这些热量必须通过对流和传导的形式进行散射。将LED安装在密封和狭小的灯具中工作时，会导致PN结温度的快速上升，使系统的工作性能下降，对LED采用散热基片进行散热和工作在低的环境温度下，可以提高光输出和延长寿命。中山翼芯科技专业生产以下产品：DMX512各