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LED发光原理

[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，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，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、功率因素等，均将考验电子电路的

设计技术。

常见的两种解决方案

低频变压器及半波或全波整流电路

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

低频变压器及半波或全波整流电路

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

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IEC1000-3-2classD，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。

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经过几年的技术改良经过几年的技术改良，LED经过几年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。

白炽灯、卤钨灯光效为1224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～瓦，采用直流驱单管功率～瓦单管驱动电压～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。

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。

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1、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

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芯片和钇铝石榴石封装在一起做成。

GaN芯片发蓝光，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。

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