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 LED应用基础知识
LED 是取自 Light Emitting Diode 三个字的缩写,中文译为“发光二极管”,顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能具有二极管的特性的电子器件.
一、LED的结构及发光原理 

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、LED光源的特点 

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。 
　　三、单色光LED的种类及其发展历史 

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（λp=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（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=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（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。 
大功率LED特点及与其他光源比较LED被称为“绿色光源”当之无愧。在照明行业中，将其与传统光源比较分析，某些方面表现出难以替代的优点：LED作为光源用于照明具有以下优点：
　　1、耗电量低：光效为75lm/W的LED较同等亮度的白炽灯耗电减少约80% ；
　　2、寿命长：产品寿命长达5万小时，24小时连续点亮可用7年；
　　3、亮度和色彩的动态控制容易：可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制；
　　4、外形尺寸灵活：可实现与建筑的有机融合，达到只见光不见灯的效果；
　　5、环保：无有害金属汞，无红外和紫外线辐射；
　　6、颜色：鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，可实现多变、逐变、混光效果，显色效果极佳。集这么多优点于一身，更让我们感受到大力推广使用LED是一项很有价值的工作。
　　但是LED与其他光源比较也有不足的方面，比如在白光照明中显色性偏低。目前用黄色荧光粉和蓝光产生的白光LED，其显色性指数约为80。作为一般照明还可以，但对于一些色彩分辨要求高的场所就显得不足。虽然通过增加适当红色荧光粉等方法，可以使显色指数提高到90或者更高，但是与白炽灯的99相比较还是有一定差距，而且其效率会受到影响。通过RGB混色处理也可以提高显色性，但是在技术在普及应用上还需要做更多工作，因此显色性方面，LED还需要作提升。至于价格过高、一次性投入较大，其实从综合成本考虑，很多场合使用LED还是节约了大量成本。下表1是白炽灯、荧光灯、普通LED与大功率LED的寿命对比，从下表可以看出，大功率LED在寿命上有很大的优势，从白炽灯和荧光灯在很多技术方面提升的空间已经很小了。

一、LED的种类
1． 按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2． 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3．按发光二极管的结构分 
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
二、LED与其他光源对比的优越性
1、省电节能,相比白帜灯耗电减少80%;
2、体积小,适用范围广泛;
3、寿命长,使用寿命达10W小时以上;
4、反映速度快,响应时间仅为几纳秒;
5、安全,低压工作、无震荡辐射;
6、环保,不含有害金属汞;
但目前还存在有价格高,成本高的缺陷.
三、LED的应用范围
广泛用于照明、指示、装饰、医疗、显示屏等领域
四、LED的光电参数及概念
IV:发光亮度或强度,指光源在某一方向立体角内之光通量大小.单位:坎德拉 (cd)
1CD(烛光)指完全辐射的物体,在白金凝固点温度下,每六十分之一平方厘米面积的发光强度.(以前指直径为2.2厘米,质量为75.5克的鲸油烛,每小时燃烧7.78克,火焰高度为4.5厘米,沿水平方向的发光强度)
IF:正向或顺向电流,单位:安培(A).mA指毫安,即千分之一安培.
VF:正向电压或顺向电压.单位:伏特(V
VR:反向电压或逆向电压.单位:伏特(V)
IR:反向漏电.单位:微安(μA)指给LED施加一个反向电压时,所通过的电流.
ф:光通量.指发光体在单位时间内通过某一截面的光能数量.单位:流明( Lm)
1L(流明)指1 CD烛光照射在距离为1厘米,面积为1平方厘米的平面上的光通量
Wld:波长,指光波在变化的一个周期内所传播的距离.单位:纳米(nm)
有主波长和峰值波长两种
λd:主波长,指人肉眼所感知的波长.
λp:峰值波长,指光学理论上的波长.
Angle:发光角度,指LED发光夹角.;2θ1/2指仪器测试的光强角度.
照度: 是光通量与被照面之比值.单位 Lux(勒克司)
1 Lux指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度.
辉度 (Luminance, L): 一光源或一被照面之辉度指其单位表面在某一方向上的光强度密度,也可说是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度.
单位:坎德拉每平方米 (cd/㎡)
半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

一、半导体发光二极管工作原理、特性及应用
（一）LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ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，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

（二）LED的特性
1．极限参数的意义
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

2．电参数的意义
（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。 由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。
（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。
半值角的2倍为视角（或称半功率角）。 图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。
（7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。 在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR
虽然大功率LED筒灯在初期投入成本要高出传统灯具很多，但是在长时间使用后，所消耗总费用会低于传统灯具。因此在筒灯中采用大功率LED要明显优于传统白炽灯光源。并且由于大功率LED均采用恒流驱动，无频闪，长时间工作环境下眼睛没有疲劳感。大功率LED筒灯的特点是：
1, 高光通量的1W白色/黄光LED，单粒芯片光通量由80LM至100LM，总光通量由240LM-300LM，无紫外无红外线，保护被照物体。
2,耗电量低：较同等亮度的白炽灯耗电减少约80%；
3,寿命长：产品寿命长达50，000小时，24小时连续点亮可用7年；
4,工作电压低：安全电压，保证人身安全；
5,环保：无污染，光谱不含红外线和紫外线；
6,轻巧精致， 散热性好，光线柔和，温升低；
7,使用范围广泛。安装极为简单。多种接口方式可选;
8、电压90-255VAC（V） 型号D6-1WW-H

LED筒灯应用范围：
大堂入口、展示中心、专卖店一般、重点或局部照明
商场、银行、医院、宾馆、饭店及其他各种公共场所长时间照明
LED是一种可直接将电能转化为可见光的发光器件，具有工作电压低、耗电量极少、发光效率高、光色纯、性能稳定可靠、且不含紫外线、红外线等一系列优良特性的新一代高科技光源，用它替代传统高能耗的白炽灯、卤素灯等将是人类在节能科技史上取得突破的又一次产业革命-第四代照明革命。
LED天花灯与传统卤素灯及节能灯的使用成本比较:

Item
传统卤素灯杯50W（带变压器）
节能筒灯
金卤灯
天花灯
购买成本（元）
100
80
200
850
耗电功率（W）
50
30
75
15
每月耗电（度）
18
10.8
27
5.4
5年电费（1元/度）
1080
648
1620
324
5年换灯成本
400
320
800
0
5年道具成本
1200
800
1500
200
5年维修费用
250
400
400
0
5年使用总成本
3030
2248
4520
1374