[LED发光原理及特点] LED发光原理

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LED

LED发光原理及特点 LED发光原理及特点

主讲人：张颖

LED照明概念 LED照明概念

LED（ LED（Lighy Emitting Diode），又称发光二极管，它 Diode），又称发光二极管， ），又称发光二极管 们利用固体半导体芯片作为发光材料， 们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向 电压，半导体中的载流子发生复合， 电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而 引起光子发射产生可见光。 引起光子发射产生可见光。

Led发光原理

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。电子和空穴之间的能量（带隙） 越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色 对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多， 桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带 隙，从而能够发出不同颜色的光。

LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前，已 LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前， 照明光源的主流将是高亮度的白光LED 商品化的白光LED多是二波长， LED多是二波长 商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上 YAG黄色荧光粉混合产生白光 黄色荧光粉混合产生白光。 YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三 波长白光LED 即以无机紫外光晶片加红、 LED， 波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三 颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、 颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型 节能荧光灯泡及LED背光源等市场。 LED背光源等市场 节能荧光灯泡及LED背光源等市场。

LED的电源电路

LED所须之电源为直流、低电压，故传统上用以推 动钨丝灯泡或日光灯之电源并不适合直接推动LED灯 具。 而传统的定电压转换器必须经过修改后，才能适用 于推动LED灯具；电路修改需考量定电流输出、能源 转换效率、功率因素(power factor)等，均将考验电子 电路的

设计技术。

常见的两种解决方案( 常见的两种解决方案(一)

低频变压器及半波或全波整流电路 (一)

如图一所示，这种提供LED电源的方式非常简单只 需一个低频变压器，整流器，滤波电容还有一个用 来调整亮度的可变电阻。串联LED的数目主要由变 压器的圈数比所决定。一旦选用圈数比固定之后若 要得到一样的亮度，就很不容易改变LED的数目。 只能够藉由并联的方法增加LED的数目，但这种电 源架构很不容易做到并联的LED有相同的亮度。 优点：电路简单、成本低 缺点：体积大、电压模式，LED亮度会随着供应电 压之变化而有所改变；无法提供定电流输出；突波 电流较大。

常见的两种解决方案( 常见的两种解决方案(二)

低频变压器及半波或全波整流电路 (一)

如图一所示，这种提供LED电源的方式非常简单只 需一个低频变压器，整流器，滤波电容还有一个用 来调整亮度的可变电阻。串联LED的数目主要由变 压器的圈数比所决定。一旦选用圈数比固定之后若 要得到一样的亮度，就很不容易改变LED的数目。 只能够藉由并联的方法增加LED的数目，但这种电 源架构很不容易做到并联的LED有相同的亮度。 优点：电路简单、成本低 缺点：体积大、电压模式，LED亮度会随着供应电 压之变化而有所改变；无法提供定电流输出；突波 电流较大。

最新技术:LED照明之电源 最新技术

切换式定电流供应器(图三)

如图三所示，属于定电流的电源供应器，输出电流可调整非常适合LED 照明的应用。因为没有额外的可变电阻VR，所以电源使用率比前两种方 案高些。在LED的串联使用上非常方便，因为流经LED的电流固定不受 LED数目的影响。对于LED的并联使用仍无法保证并联路径LED的均流 效果。 目前大电流的LED照明电源大都采用前两种解决方案，但相较之下，切 换式定电流供应器的定电流输出模式更为适合，因为无论是在串联或并 联应用上，均可轻易控制每路LED电流，进而达到亮度一致；另外关于 输入电流的谐波失真尽可能低，对于总电流谐波失真(THD)大小及功率 因子值会因采用不同国家标准而有所不同，商品化的产品只要在设计上 符合该申请国家的标准既可，无须做到功率因子近似1，或THD小于10%， 否则在成本上将会提高很多而失去产品竞争力，至于THD规范可参考 IEC1000-3-2 class D，在设计时也要特别注意LED的开路与短路保护。

从过去使用上之不方便，发展出定电流模式之电源，当 作LED照明之电源。可允许LED串、并联之应用，较易 控制流经LED之电流、也就是较易控制LED亮度。

这种电源采用切换式技术所以体积远比前一种方

案小很多。 其中的VR是可变电阻用来调整LED亮度。若采用输出电压可 调变的电源供应器，对于LED的串并联应用会方便很多，目 前可调输出电压的电源价格偏高或是体积会比固定电压模 式的大些。

优点：技术很成熟，易取得；目前大部份LED照明的电源方式，电压负 载，变化稳定性佳。 缺点：切换式电源供应器对于LED之串联或并联，不容易提供固定电源 ，电流负载 (current load ) 变化大；所以无论是LED之串联或并联 应用，流经每一LED之电流不相同，反应到实际应用品上，即LED亮度 亦不易控制，因此解决方案较不利于LED照明电源。

（三）LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

1、发光效率高 LED经过几十年的技术改良 经过几十年的技术改良， 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 12- 流明／ 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 光灯50～70流明／ 钠灯90～140流明／ 50 流明 90 流明 分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达 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 流明／ 而且其光的单色性好、光谱窄， 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。目前， 无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均 加紧提高LED光效方面的研究， LED光效方面的研究 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。 效率将有更大的提高。

LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

2、耗电量少 LED单管功率 单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱 单管功率 ～ 瓦 单管驱动电压1.5～3.5伏，电流 ～18毫安， 毫安， 动，单管驱动电压 ～ 伏 电流15～ 毫安 反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下， 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八分之一，荧光灯管的二分之一、 耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、 运行成本大幅下降。 运行成本大幅下降。 日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的 日本估计， LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相 替代日本一半的白炽灯和荧光灯。 替代日本一半的白炽灯和荧光灯 当于60亿升原油 就桥梁护栏灯例， 亿升原油。 当于 亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支 日光灯40多瓦 而采用LED每支的功率只有 瓦，而 多瓦， 每支的功率只有8瓦 日光灯 多瓦，而采用 每支的功率只有 且可以七彩变化。

且可以七彩变化。

与传统的荧光灯相比，LED照明以高达50,000小 时的使用寿命为特色，而荧光灯只有13,000-18,000 小时，并且具有3倍的灯光一致性，具有一般荧光灯 不能配备的调光及循环能力，更节能。当然，节能是 我们考虑使用LED光源的最主要原因，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。 LED寿命长达10万小时，意味着每天工作8小时， 可以有35年免维护的理论保障。

LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

3、使用寿命长 LED光源有人称它为长寿灯 意为永不熄灭的灯。 光源有人称它为长寿灯， LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。 而对LED来说，发光效率能够达到白炽灯的 到10 来说， 而对 来说 发光效率能够达到白炽灯的5到 使用寿命可达到5万到 万小时，也就是5年到 万到10万小时 倍，使用寿命可达到 万到 万小时，也就是 年到 10年的时间，正常情况下正常使用 年无须维修。因 年的时间， 年无须维修。 年的时间 正常情况下正常使用5年无须维修 此免除频繁换灯之苦，其维护成本可大为降低。 此免除频繁换灯之苦，其维护成本可大为降低。

LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

4、安全可靠性强 发热量低，没有紫外辐射,无热辐射 冷光源， 无热辐射， 发热量低，没有紫外辐射 无热辐射，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， 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 无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。 置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式， 置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实 现光与艺术结合。 现光与艺术结合。

LED光源的基本特征 LED光源的基本特征

5、有利于环保 LED为全固体发光体 耐震、耐冲击不易破碎， 为全固体发光体， 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， 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。 易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

6 色彩变化

就是要求所用的光源，可以按照预定设想、在色彩、 就是要求所用的光源， 可以按照预定设想、 在色彩、 在亮度、配置等各方面加以变化， 光源可利用红、 在亮度 、配置等各方面加以变化， LED光源可利用红、 光源可利用红 蓝三基色原理， 绿、蓝三基色原理，在计算机

控制下可以使三种颜色 同时具有256级灰度并任意混合，即可产生256 种颜色， × 256× 256=16777216种颜色， 形成例如水波纹 × 种颜色 式连续变色或定时色彩变化等，形成夜晚色彩绚丽的 式连续变色或定时色彩变化等， 灯光幻影，及各种图形。这种“多色彩、多图案” 灯光幻影，及各种图形。这种“多色彩、多图案”的 变化，正好显现了LED光源的特色。 变化，正好显现了 光源的特色。 光源的特色

7 图案变化

LED光源能已平滑缓慢的进行红、黄、蓝、绿、青、 橙、紫、白七种颜色的过度及变色。接通与切断LED 的时间以微妙计算，可以较方便地制成流水般跑动和 奔放跳动的动态变化。因此是传统光源无法比拟的， 并且变化方式由于受程序控制，所以可以编制无数种 程序形成无数种变化，LED光源构成的跑跳式灯光， 可以让人感到耳目一新，永不单调，心旷神怡，激情 荡漾，可充分体现灯光的动态效果。

8.冷光源

它还提供6500的相关色温，显色指数为 72。该系统能用在超市、便利店、杂货 店等手取式低温待售产品表面，散发通 用质量的灯光，以更大的灯光均匀度、 减少地板上扰人的眩光以及隐藏显示柜 光源等方式，提高产品的可销性。更适 合古建筑物的照明工程中.

9“高新尖”技术

与220V交流电控制的传统光源单调的发光效果 相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算 机技术、网络技术，无限遥控技术，嵌入式控制器技 术，所以亦是数字信息化产品。是半导体光电器件的 “高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多 变的特点，为照明、显示、景观一次同时展现。

10. 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。低压运行，几乎可达 到100%的光输出，调光时低到零输出， 可以组合出成千上万种光色，而发光面 积可以很小，能制作成1平方毫米。

11. 稳定性：

10万小时，光衰为初始的50%

12. 适用性：

由于LED体积很小，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.发光 体接近点光源（有利于LED的灯具设计）

13.响应时间短

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯 的响应时间为纳秒级 .所以,LED响应时 间短反应速度快.

白光LED的开发 的开发 白光

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年 发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇 铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光 （λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含 Ce3+的YAG

荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射， 峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆 盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基 片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧 光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于 InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学 组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温350010000K的各色白光。（如下图所示）

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