在電子元器件家族里,LED發光二極管是最特殊的,因為英文字母LED遠比中文“發光二極管”普及,不少用戶甚至只知道LED是一種環保光源和指示器,而不知道LED歸屬于二極管門類。
事實上,LED是一種特殊的半導體二極管,可以把電能轉化成光能。與普通二極管一樣,LED也是由PN結組成,也具有單向導電性,加上正電壓后,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子,在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合,產生自發輻射的熒光。
LED發光二極管PN結結構圖
由于不同材料的能量級不同,電子和空穴復合時釋放的能量也不同,發光的波長也不同,能量越大波長越短,我們最常見的是發紅光、綠光或黃光的LED。
可見,LED具有節能、環保、安全、壽命長、功耗低、地熱、高亮度、防水、微型、防震、易調光、光束集中、維護簡便等等特點。另外,LED電光轉化效率高接近60%,即使反復開關也無損其使用壽命,堅固耐用,在啟動的時候也無延時,本質上決定了LED的新一代光源地位。
LED的特征參數
作為一塊封裝在環氧樹脂里面的小小芯片,LED也非常輕小。由于采用無毒材料制作,LED光源環保、堅固,不易損壞,可以實現各種顏色的組合與變化。
一般來說,LED工作電壓2-3.6V,工作電流0.02-0.03A,耗電非常低,散熱也非常小,使用壽命可達10萬小時以上。
完整的氧化鎵發光二極管晶粒制作流程
電氣性能方面,LED的主要參數有:正向工作電流If、正向工作電壓VF、V-I特性。
(1)正向工作電流If:指LED正常發光時的正向電流值,在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6IFm以下。
(2)正向工作電壓VF:一般是在IF=20mA時測得的,一般在1.4-3V,在外界溫度升高時VF將下降。
(3)V-I特性:這是LED的電壓與電流關系。正向電壓小于閾值時,電流極小,不發光,當電壓超過閾值后,正向電流隨電壓迅速增加并發光。
除了上述基本參數,LED的四個極限參數也很重要:
(1)允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值,超過此值,LED發熱、損壞。
(2)最大正向直流電流IFm:允許加的最大正向直流電流,超過此值可損壞二極管。
(3)最大反向電壓VRm:所允許加的最大反向電壓,超過此值,LED可能被擊穿損壞。
(4)工作環境:LED可正常工作的環境溫度范圍,低于或高于此溫度范圍,LED將不能正常工作,效率大大降低。
LED的種類
按發光顏色,LED可分成紅色、黃色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。為了得到白色LED,可將二種或三種顏色的LED芯片組合。
不同材料制作的LED發光波長圖
按出光面特征,LED分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等;圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等;國外通常把φ3mm的LED記作T-1;把φ5mm的記作T-1(3/4);把φ4.4mm的記作T-1(1/4)。
按照發光強度角分布圖,LED分為三類:
(1)高指向性:一般為尖頭環氧封裝,或是帶金屬反射腔封裝,且不加散射劑,半值角為5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。
(2)標準型:通常作指示燈用,其半值角為20°~45°。
(3)散射型:這是視角較大的指示燈,半值角為45°~90°或更大,散射劑的量較大。
按封裝結構,LED分全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝、玻璃封裝等結構。
應用中,我們一般按發光強度和工作電流,將LED分為為普通亮度(發光強度<10mcd)、超高亮度(發光強度>100mcd)、高亮度發(發光強度在10~100mcd間)三個檔次,對應用戶的不同采購需求。
LED應用事項
在所有科技中,LED是最接地氣的,并成為日常生活的一部分。手機、平板、電腦、電視中的LCD背光照明和指示燈,家里的各種照明燈,汽車的頭燈、尾燈、方向燈和車內照明等,高樓大廈外邊的彩燈,天橋上五顏六色的燈鏈,道路岔口的信號燈,商業區的LED顯示屏,還有用來培育綠色有機植物的LED植物燈……可以說,LED已經成為日、月自然光源之外的第一人造光源。
雖然LED集千萬優勢于一體,光衰始終是一個無法回避的缺憾。這主要歸結于LED芯片本身的質量問題,以及生產工藝存在的缺陷,因為不良的LED芯片散熱性差,引發LED芯片溫度過高使芯片衰減加劇,導致發光效果打不到預期。另外,LED為恒流驅動,如果驅動電流大于額定驅動條件就可能產生光衰,有些應用采用電壓驅動也使LED衰減過快。
因此,為應用選擇LED時應注意以下事項:
(1)高可靠性特別像LED路燈的驅動電源,裝在高空,維修不方便,維修的花費也大。
(2)高效率LED是節能產品,驅動電源的效率要高,對于電源安裝在燈具內的結構,尤為重要,因為LED的發光效率隨著LED溫度的升高而下降,所以LED的散熱非常重要,電源的效率高,它的耗損功率小,在燈具內發熱量就小,也就降低了燈具的溫升,對延緩LED的光衰有利。
(3)高功率因素功率因素是電網對負載的要求,一般70瓦以下的用電器,沒有強制性指標,雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對電網的影響不大,但晚上大家點燈,同類負載太集中,會對電網產生較嚴重的污染,對于30~40瓦的LED驅動電源,據說不久的將來,也許會對功率因素方面有一定的指標要求。
(4)驅動方式通行的有兩種:其一是一個恒壓源供多個恒流源,每個恒流源單獨給每路LED供電,這種方式,組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點;另一種是直接恒流供電,LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,不影響其他LED運行的問題,這兩種形式,在一段時間內并存,多路恒流輸出供電方式,在成本和性能方面會較好,也許是以后的主流方向。
(5)浪涌保護LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力,加強這方面的保護也很重要,有些LED燈裝在戶外,如LED路燈,由于電網負載的啟甩和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致LED的損壞,因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。
(6)保護功能電源除了常規的保護功能外,最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。
(7)防護方面燈具外安裝型,電源結構要防水、防潮,外殼要耐曬。
(8)驅動電源的壽命要與LED的壽命相適配。
(9)要符合安規和電磁兼容的要求。
目前,LED正在越來越多的地方發光增色,成為大家日常生活不可或缺的光彩元素。特別是在環保節能的大趨勢下,各大LED廠商及研究機構不斷加大對LED的投入和研發,LED世界將會更潔凈,更健康,更友好。
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