LED光源的基本特征及型号配件

2023/11/02 | 作者：BOB体育地址

　　LED光源就是发光二极管（LED）为发光体的光源。发光二极管发明于20世纪60年代，在随后的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点，可连续使用10万小时，比普通白炽灯泡长100倍。科学家预测，在未来5年，这种灯泡很有几率会成为下一代照明的主流产品。

　　发光二极管（LED）灯泡无论在结构上还是在发光原理上，都与传统的白炽灯有着本质的不同。

　　发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制造成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。人们之所以将发光二极管用于照明，主要是将发光二极管发出的红色光、黄色光、蓝色光混合，这样，红、黄、蓝三种光“混合”后，就产生出白光，简称MCLED（multi-chipLED）；还可通过“蓝光技术”与荧光粉配合也能形成白光，称为PCLED（phosphorconvertedLED），除此以外还有MOCVA直接生长多有源区的白光技术。

　　LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。

　　LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15~18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥上的保护栏杆灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，还能够七彩变化。

　　采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具常规使用的寿命可达5～10年，可以大幅度降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

　　发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统能控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。

　　LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最根本原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。

　　要了解二极管的发光原理，首先要了解半导体的基本知识。半导体材料的导电性质介于导体和绝缘体材

　　料之间，它的独特之处在于：当半导体受到外界光和热条件的刺激时，它的导电能力会发生显著的变化；在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电能力也会显著的增加。在近代电子学中用得最多的半导体就是硅（Si）和锗（Ge），它们的最外层电子都是4个，在硅或者锗原子组成晶体时相邻的原子相互影响，使外侧电子变成两个原子共有的，这就形成了晶体中的共价键结构，这是一种约束能力很小的分子结构。在室温（300K）情况下，由于受到热激发就会使一些最外层电子获得足够的能量而脱离共价键束缚变成自由电子，这样的一个过程叫做本征激发。在电子摆脱束缚成为自由电子后，共价键中会留下一个空位，这个空位称为空穴，空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特征。

　　由于共价键出现了空穴，在外加电场或者其他的能源作用下，邻近的价电子就会填补这个空穴，而这个电子的原来位置上又形成新的空穴，以后其他电子再转移到这个新的空穴上。这样就产生了一定的电荷转移我们大家可以用以下公式对本征半导体中的自由电子的浓度进行计算：

　　EG——电子挣脱共价键束缚所需要的能量，单位是eV（电子伏），又被称为禁带宽度；

　　由于在本征半导体中自由电子和空穴是成对出现的，所以这个计算公式也可拿来表示空穴的浓度。在半导体中自由电子（或空穴）的浓度越高，导电能力越强，在常温附近，温度每升高8℃，硅的自由电子浓度增加1倍；温度每升高12℃，锗的自由电子浓度升高1倍。

　　在本征半导体中加入少量的五价元素杂质如磷等，它在与其他半导体原子结成共价键以后会有一个多余的电子，这个多余的电子只需要非常小的能量就能摆脱束缚成为自由电子，这类杂质半导体被称为电子半导体（N型半导体）。而在本征半导体中加入少量的三价元素杂质（如硼等），因为它外层只有三个电子，在与周围的半导体原子组成共价键以后会在晶体中产生一个空位，这类杂质半导体被称为空穴半导体（P型半导体）。在N型和P型半导体结合后，在它们的交界处就会出现自由电子和空穴的浓度差别，于是电子和空穴都要向浓度低的地方扩散，留下了一些带电却不能移动的离子，从而破坏了N区和P区原来的电中性。这些不能移动的带电粒子通常被称为空间电荷，它们集中在N区和P区交界面附近形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结。

　　在PN结的两端加上正向偏置电压（P型的一边加正电压）后，空穴和自由电子就会相互移动，形成一个内电场。随后新注入的空穴和自由电子再重新复合，复合的同时有时会以光子的形式释放多余能量，这就是我们所见到的LED发出的光。这样的光谱范围是比较窄的，由于每种材料的禁带宽度不相同，所以释放出的光子波长也不同，所以LED发光的颜色由所使用的基本材料决定.

　　二基色白光LED是利用蓝光LED芯片和YAG荧光粉制成的。通常用的蓝光芯片是InGaN芯片，另外也能够正常的使用A1InGaN芯片。蓝光芯片LED配YAG荧光粉方法的优点是：结构相对比较简单，成本较低，制作流程与工艺相对简单，而且YAG荧光粉在荧光灯中应用了许多年，工艺很成熟。其缺点是，蓝光LED效率不够高，到使LED效率较低；荧光粉自身存在能量损耗；荧光粉与封装材料随时间老化，导致色温漂移和寿命减少等。

　　在较高效率前提下有效提升LED的显色性。得到三基色白光LED的最常用办法是，利用紫外光LED激发一组可被辐射有效的三基色荧光粉。这种类型的白光LED具有高显色性，光色和色温可调，使用高转换效率的荧光粉能大大的提升LED的光效。不过，紫外LED+三基色荧光粉的方法还存在一定的缺陷，比如荧光粉在转换紫外辐射时效率较低;粉体混合较为困难；封装材料在紫外光照射下容易老化，寿命较短等。

　　将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起，也能够获得白光。这种类型的白光LED光源，称为多芯片白光LED光源。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，能够获得较高的光效；还能够分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性。此方法弊端在于，不同光色的LED芯片的半导体材质相差很大，量子效率不同，光色随驱动电流和气温变化不一致，随时间的衰减速度也不同。为了保持颜色的稳定性，需要对3种颜色的LED分别加反馈电路进行补偿和调节，这就使得电路过于复杂。另外，散热也是困扰多芯片白光LED光源的主要问题。

　　（3）电压：电压与颜色有关系，一般红、绿、蓝的VF在1.8-2.4V之间；白、蓝、绿的电压在3.0-3.6之间

　　（4）反向电压Vrm：LED所允许的最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿损坏。需注意的是，有的LED是不允许反向的（如OSRAM），一般Vrm在3-5V之间。

　　（5）色温：以绝对温度K来表示。eg.夏日正午阳光5500K,下午日光4000。

　　（6）发光强度：以坎德拉cd来计。这个量表明发光体在空间发射的会聚能力，是对光功率和会聚能力的一个共同描述。eg.Ф5的LED的I约为5mcd。

　　（7）光通量：以流明lm来计。此量是描述光源的发光总量的大小，与光功率等价。现有的1W的LED光通量能做到80-130lm。

　　（9）显色性：以CRI来表示。eg.Luxeon冷白为70，中性白为75，暖白为85。

　　（10) 半值角：发光强度为峰值的一半时距中心线倍角度。根据不同应用，可大致分为高指向性、标准型和散射型。eg.XP-C的半值角110°。

　　（16）热阻：以RθJC来表示，单位为℃/W。目 前国外的功率级LED的热阻基本在10 ℃/W以内。eg.Rebel,white: 9 ℃/W;XP-G: 6 ℃/W.

　　（17）寿命：维持到初始光通量70%的时间，而这一段时间可以到30.000-100.000小时。

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