LED新光源

1.LED光源的概念及發(fā)展歷史

LED（Light Emitting Diode），又稱(chēng)發(fā)光二極管，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生光。

應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理制成的LED問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初，1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年，藍(lán)色、綠色LED才研制成功。1996年開(kāi)發(fā)出白色LED。

2.LED發(fā)光原理

發(fā)光二極管主要有PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。起發(fā)光體—晶片的面積為10.2mil(1mil=0.0254平方毫米)，目前國(guó)際上出現(xiàn)大量晶片LED，其晶片面積達(dá)40mil。

其發(fā)光過(guò)程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹(shù)脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過(guò)該晶片時(shí)，帶負(fù)電的電子移動(dòng)到帶正電的空穴域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時(shí)產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過(guò)來(lái)與光的顏色對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。

3.LED的主要特點(diǎn)

3.1 發(fā)光效率高：LED經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明／瓦，熒光燈50～70流明／瓦，鈉燈90～140流明／瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá)50～200流明／瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。

3.2 耗電量少： LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅(qū)動(dòng)，單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5～3.5伏，電流15～18毫安，反應(yīng)速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一。

3.3 使用壽命長(zhǎng)： 采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。光衰為初始的50%。LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用，避免經(jīng)常換燈。

3.4 安全可靠性強(qiáng)：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無(wú)眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度，調(diào)整發(fā)光方式，實(shí)現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。

3.5 有利于環(huán)保： LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒(méi)有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開(kāi)發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護(hù)。

3.6 響應(yīng)時(shí)間短： 白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。

3.7價(jià)格： LED的價(jià)格比較昂貴，較于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由300～500只二極管構(gòu)成。

4．LED的主要應(yīng)用

LED廣泛應(yīng)用于指示燈、信號(hào)燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見(jiàn)。但由于其亮度差、價(jià)格昂貴等條件的限制，無(wú)法作為通用光源推廣應(yīng)用，近幾年來(lái)，隨著LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性發(fā)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)始跨越至高效率照明光源市場(chǎng)。

5.LED對(duì)現(xiàn)代電子的教學(xué)意義

在現(xiàn)代電子學(xué)習(xí)中作為較高級(jí)別的材料，鍛煉學(xué)習(xí)者對(duì)電路的判斷與使用。

對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。 1998 年發(fā)白光的 LED 開(kāi) 發(fā)成功。這種 LED 是將 GaN 芯片和釔鋁石榴石( YAG )封裝在一起做成。 GaN 芯片發(fā)藍(lán)光( λ p =465nm ， Wd=30nm )，高溫?zé)Y(jié)制成的含 Ce3+ 的 YAG 熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值 550nm 。藍(lán)光 LED 基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有 YAG 的樹(shù)脂薄層，約 200-500nm 。 LED 基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。對(duì)于 InGaN/YAG 白色 LED ，通過(guò)改變 YAG 熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫 3500-10000K 的各色白光。

藍(lán)光LED技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一種更為節(jié)能高效的燈光產(chǎn)生方式，同時(shí)也能應(yīng)用到相機(jī)、手機(jī)等科技產(chǎn)品中。用藍(lán)光LED技術(shù)制造的照明設(shè)備，能效更高，大大降低地球能源使用量。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)顯示，全世界的25%電力都被用于照明作用，而使用LED燈具之后，用于照明的電力降低到4%，而這無(wú)疑改變了整個(gè)世界。

從1907年LED效應(yīng)發(fā)現(xiàn)到1993中村修二正式發(fā)明LED，再到1999年1W的LED燈正式商業(yè)化使用，LED經(jīng)歷了將近一百年時(shí)間的發(fā)展。在此之前，人們一直使用的是上個(gè)世紀(jì)愛(ài)迪生發(fā)明的白熾燈泡，而白熾燈泡浪費(fèi)了絕大部分能量在發(fā)熱上，大概有九成的電力都被浪費(fèi)。

LED燈具的出現(xiàn)，極大地降低照明所需要的電力，同樣瓦數(shù)的LED燈，所需電力只有白熾燈泡的1/10，同時(shí)LED具有壽命長(zhǎng)、環(huán)保、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代白熾燈的位置。2012年，中國(guó)政府宣布，全面禁止銷(xiāo)售和進(jìn)口100瓦以上的普通照明用白熾燈，陪伴老一輩中國(guó)人幾十年的白熾燈即將走到歷史的盡頭。

正如在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞中寫(xiě)到的那樣:"白熾燈照亮20世紀(jì)，而LED燈將照亮21世紀(jì)。"

1、高效節(jié)能

一千小時(shí)僅耗幾度電(普通60W白熾燈十七小時(shí)耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時(shí)耗1度電)

2、超長(zhǎng)壽命

半導(dǎo)體芯片發(fā)光，無(wú)燈絲，無(wú)玻璃泡，不怕震動(dòng)，不易破碎，使用壽命可達(dá)五萬(wàn)小時(shí)(普通白熾燈使用壽命僅有一千小時(shí)，普通節(jié)能燈使用壽命也只有八千小時(shí))

3、健康

光線健康光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射(普通燈光線中含有紫外線和紅外線)

4、綠色環(huán)保:

不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(普通燈管中含有汞和鉛等元素，節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾)

5、保護(hù)視力

直流驅(qū)動(dòng)，無(wú)頻閃(普通燈都是交流驅(qū)動(dòng)，就必然產(chǎn)生頻閃)

6、光效率高

發(fā)熱小10%的電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光(普通白熾燈95%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，僅有5%電能轉(zhuǎn)化為光能)

7、安全系數(shù)高

所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患，于礦場(chǎng)等危險(xiǎn)場(chǎng)所

8、市場(chǎng)潛力大

低壓、直流供電，電池、太陽(yáng)能供電，于邊遠(yuǎn)山區(qū)及野外照明等缺電、少電場(chǎng)所。

1、LED燈在交流電驅(qū)動(dòng)下和普通白熾燈一樣會(huì)有頻閃現(xiàn)象，而普通節(jié)能燈沒(méi)有頻閃現(xiàn)象。頻閃會(huì)使眼睛容易疲勞。

2、每個(gè)LED燈泡的光線過(guò)亮，會(huì)強(qiáng)烈刺激眼睛，不可直視，哪怕短時(shí)間，而普通節(jié)能燈相對(duì)要柔和些!

3、照射角度有限制，一般只能照射120°，而普通節(jié)能燈幾乎可照射360°。

4、照射房間的亮度并不比節(jié)能燈出色，因?yàn)閘ed只在直視的狹小角度內(nèi)有高亮度，而偏離該角度后光線迅速減弱。

因此，LED節(jié)能燈作為室內(nèi)照明燈具的優(yōu)勢(shì)未必比普通節(jié)能燈明顯，但作為電筒、臺(tái)燈、射燈等只需照射狹小角度的燈具使用時(shí)還是非常優(yōu)秀的。

1、LED亮度(MCD)不同，價(jià)格不同。用于led燈具的LED應(yīng)符合雷射等級(jí)Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

2、抗靜電能力抗靜電能力強(qiáng)的LED，壽命長(zhǎng)，因而價(jià)格高。通?？轨o電大于 700V的LED才能用于LED燈飾。

3、波長(zhǎng)一致的LED，顏色一致，如要求顏色一致，則價(jià)格高。沒(méi)有LED分光分色儀的生產(chǎn)商很難生產(chǎn)色彩純正的產(chǎn)品。

4、漏電電流LED是單向?qū)щ姷陌l(fā)光體，如果有反向電流，則稱(chēng)為漏電，漏電電流大的LED，壽命短，價(jià)格低。

5、發(fā)光角度用途不同的LED其發(fā)光角度不一樣。特殊的發(fā)光角度，價(jià)格較高。如全漫射角，價(jià)格較高。

6、壽命不同品質(zhì)的關(guān)鍵是壽命，壽命由光衰決定。光衰小、壽命長(zhǎng)，壽命長(zhǎng)，價(jià)格高。

7、晶片LED的發(fā)光體為晶片，不同的晶片，價(jià)格差異很大。日本、美國(guó)的晶片較貴，一般臺(tái)灣及國(guó)產(chǎn)的晶片價(jià)格低于日、美(CREE)。

8、晶片大小晶片的大小以邊長(zhǎng)表示，大晶片LED的品質(zhì)比小晶片的要好。價(jià)格同晶片大小成正比。

9、膠體普通的LED的膠體一般為環(huán)氧樹(shù)脂，加有抗紫外線及防火劑的LED價(jià)格較貴，高品質(zhì)的戶(hù)外LED燈飾應(yīng)抗紫外線及防火。每一種產(chǎn)品都會(huì)有不同的設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)適用于不同的用途，LED燈飾的可靠性設(shè)計(jì)方面包含:電氣安全、防火安全、適用環(huán)境安全、機(jī)械安全、健康安全、安全使用時(shí)間等因素。從電氣安全角度看，應(yīng)符合相關(guān)的國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。