LED照明原理
照明的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-V特性，即正向?qū)�，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光[1]特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。 假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。
照明的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-V特性，即正向?qū)�，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光[1]特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。 假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。
理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料帶隙Eg有關(guān)，即 λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。
照明特性
極限參數(shù)的意義
（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。
（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。
（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。
（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。
不改變材質(zhì)的前提下，在LED的極限范圍內(nèi)，提高亮度的手段就是提高電流，隨著電流升高，LED發(fā)熱量會(huì)劇增。使用過(guò)LED光源便攜投影機(jī)的，或微投的朋友，一定都深有體會(huì)，LED光源的投影機(jī)，非常熱，而且普遍會(huì)有明顯的噪音。這些產(chǎn)品，機(jī)身小是一方面，關(guān)鍵還是其自身發(fā)熱量較大所致。
隨著功率的增加，LED的散熱問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，大量實(shí)際應(yīng)用表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過(guò)程中會(huì)放出大量的熱，使管芯結(jié)溫迅速上升，熱阻變大。輸入功率越高，發(fā)熱效應(yīng)越大。溫度的升高將導(dǎo)致器件性能變化與衰減，非輻射復(fù)合增加，器件的漏電流增加，半導(dǎo)體材料缺陷增長(zhǎng)，金屬電極電遷移，封裝用環(huán)氧樹(shù)脂黃化等等，嚴(yán)重影響LED的光電參數(shù)。甚至使功率LED失效。因此，對(duì)于LED器件，降低熱阻與結(jié)溫、對(duì)發(fā)光二極管的熱特性進(jìn)行研究顯得日趨重要。
LED照明系統(tǒng)的可靠性
LED驅(qū)動(dòng)電源壽數(shù)偏低的一個(gè)重要原因是驅(qū)動(dòng)電源所需的鋁電解電容的壽數(shù)缺乏，首要原因是長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)LED燈內(nèi)部的環(huán)境溫度很高，致使鋁電解電容的電解液很快被耗干，壽數(shù)大為縮短，通常只能作業(yè)5千小時(shí)左右。而LED光源的壽數(shù)是5萬(wàn)小時(shí)，因而鋁電解電容的作業(yè)壽數(shù)就成為了LED驅(qū)動(dòng)電源壽數(shù)的短肋。
如今有些供貨商為了處理這個(gè)難題，創(chuàng)造了無(wú)鋁電解電容的LED驅(qū)動(dòng)電源計(jì)劃。但并不是所有的LED驅(qū)動(dòng)電源供貨商都擁護(hù)這種做法。陳嶸指出：“當(dāng)前量產(chǎn)的LED驅(qū)動(dòng)電源中沒(méi)有一款是選用了無(wú)電解電容的驅(qū)動(dòng)計(jì)劃，由于沒(méi)有它的話，許多試驗(yàn)規(guī)范通不過(guò)，如EMI測(cè)驗(yàn)和無(wú)閃爍測(cè)驗(yàn)。”
而選用鋁電解電容的LED驅(qū)動(dòng)電源計(jì)劃很簡(jiǎn)單通常以上測(cè)驗(yàn)， pcb抄板若是換成薄膜電容和陶瓷電容或鉭電容，情況如何呢？薄膜電容要到達(dá)一樣的電容量（通常為100-220uF），體積就會(huì)很大，并且本錢也太高，陶瓷電容通常容量太小，如用多個(gè)陶瓷電容完成這么大的容量，占板面積和本錢都太大，鉭電容要具有這么大容量，一是太貴，而是耐壓太低達(dá)不到需求，因而換成其它任何品種的電容，基本上不是體積太大，就是太貴，如為了這些缺陷換成容量較小的電容，消除紋波的作用就沒(méi)有那么好，許多出口產(chǎn)品所需的嚴(yán)厲認(rèn)證測(cè)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)就無(wú)法經(jīng)過(guò)，因而當(dāng)前高質(zhì)量的LED驅(qū)動(dòng)電源仍是遍及選用鋁電解電容。
許多供貨商聲稱的無(wú)電解電容LED驅(qū)動(dòng)電源計(jì)劃，很可能僅僅去掉了AC輸入端的鋁電解電容，恒流輸出端的鋁電解電容應(yīng)該是很難去掉或代替的。
NXP推了一款可TRIAC調(diào)光的內(nèi)嵌了驅(qū)動(dòng)電源的13WLED燈泡，這款根據(jù)SSL2102的驅(qū)動(dòng)電源計(jì)劃選用了鋁電解電容。當(dāng)筆者問(wèn)及該燈泡的作業(yè)壽數(shù)時(shí)，鋁電解電容的作業(yè)壽數(shù)難題肯定會(huì)影響到整個(gè)LED燈泡的壽數(shù)，但能夠采納一些物理方法來(lái)減輕這個(gè)難題，如將鋁電解電容在PCB上方位接近燈尾，通常來(lái)說(shuō)，最接近LED光源有些的溫度最高，可到達(dá)100-200℃，散熱金屬外殼有些其次，通常為100℃左右，燈尾有些最低，通常為70℃左右，因而只需注重把鋁電解電容的方位接近燈尾，其壽數(shù)就不會(huì)衰減得太兇猛。咱們的試驗(yàn)標(biāo)明，它的壽數(shù)還可到達(dá)1萬(wàn)小時(shí)左右，相當(dāng)于10年使用時(shí)間，這關(guān)于通常家庭用戶來(lái)說(shuō)，十年換一次LED燈泡基本上是能夠承受的。
綠色環(huán)保
不含汞、鉛等對(duì)環(huán)境污染很大的重金屬,發(fā)光時(shí)會(huì)產(chǎn)生紫外線，因此LED照明不會(huì)象傳統(tǒng)的燈具那樣有很多蚊蟲(chóng)圍繞在光源旁使環(huán)境變得更加干凈衛(wèi)整潔；金屬殼恒流驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)使產(chǎn)品電能轉(zhuǎn)換成光效率非常高。
獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
(一)節(jié)約能源：LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可達(dá)80―90%。筆者還將LED與普通白熾燈、螺旋節(jié)能燈及T5三基色熒光燈做了一番比較，結(jié)果顯示：普通白熾燈的光效為12lm/w，壽命小于2000小時(shí)，螺旋節(jié)能燈的光效為60lm/w，壽命小于8000小時(shí)，T5熒光燈則為96Alm/w，壽命大約為10000小時(shí)，而直徑為5毫米的白光LED為20―28lm/w，壽命可大于100000小時(shí)。有人還預(yù)測(cè)，未來(lái)的LED壽命上限將無(wú)窮大。
一般人都認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源更偉大的改革。除此之外，LED還具有其他優(yōu)勢(shì)，光線質(zhì)量高，基本上無(wú)輻射，屬于典型的綠色照明光源;可靠耐用，維護(hù)費(fèi)用極為低廉等等。正因?yàn)長(zhǎng)ED具有以上其他固體光源還無(wú)法匹敵的特點(diǎn)，10年后LED將是照明行業(yè)的主流光源。
(二)安全環(huán)保：LED的工作電壓低，多為1.4―3V;普通LED工作電流僅為10mA，超高亮度的也不過(guò)1A。LED在生產(chǎn)過(guò)程中不要添加“汞”，也不需要充氣，不需要玻璃外殼，抗沖擊性好，抗震性好，不易破碎，便于運(yùn)輸,非常環(huán)保,被稱為”綠色能源”。
(三)使用壽命長(zhǎng)：LED體積小、重量輕，外殼為環(huán)氧樹(shù)脂封裝，不僅可以保護(hù)內(nèi)部芯片，還具有透光聚光的能力。LED使用壽命普遍在5萬(wàn)―10萬(wàn)小時(shí)之間，因?yàn)長(zhǎng)ED是半導(dǎo)體器件,即使是頻繁的開(kāi)關(guān)，也不會(huì)影響到使用壽命。目前家用照明主要使用的是白熾燈、熒光燈及節(jié)能熒光燈。
(四)響應(yīng)速度快：LED的響應(yīng)頻率fτ與注入少數(shù)載流子的壽命τmc有關(guān)，如GaAs材料制成的LED，其τmc一般在1―10ns 范圍內(nèi)，則響應(yīng)頻率約為16―160MHz，這樣高的響應(yīng)頻率對(duì)于顯示6.5MHz的視頻信號(hào)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，這也是實(shí)現(xiàn)視頻 LED大屏幕的關(guān)鍵因素之一。
目前，LED響應(yīng)時(shí)間最低的已達(dá)1微秒，一般的多為幾個(gè)毫秒，約為普通光源響應(yīng)時(shí)間的1/100。因此可用于很多高頻環(huán)境，如汽車剎車燈或狀態(tài)燈，可以縮短車后車輛的剎車時(shí)間，從而提高安全性。
(五)發(fā)光效率高：白熾燈、鹵鎢燈的光效為12-24lm/w(流明/瓦)，熒光燈的光效為50―70lm/w，鈉燈的光效為90―140lm/w，大部分的耗電變成熱量損耗。而LED的光效經(jīng)改善后可達(dá)到50―200lm/w，且光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾就可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。
(六)LED元件的體積小：更加便于各種設(shè)備的布置和設(shè)計(jì)，而且能夠更好地實(shí)現(xiàn)夜景照明中“只見(jiàn)燈光不見(jiàn)光源”的效果。
(七)LED光線能量集中度高：集中在較小的波長(zhǎng)窗口內(nèi)，純度高。
(八)LED發(fā)光指向性強(qiáng)：亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多。
(九)LED低壓直流電即可驅(qū)動(dòng)：具有負(fù)載小、干擾弱的優(yōu)點(diǎn),對(duì)使用環(huán)境要求較低。
(十)可較好控制發(fā)光光譜組成：從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點(diǎn)照明。
(十一)可控制半導(dǎo)體發(fā)光層、半導(dǎo)體材料禁止帶幅的大小：從而發(fā)出各種顏色的光線，且彩度更高。
(十二)顯色性高：不會(huì)對(duì)人的眼睛造成傷害。
