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发光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及和LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业。展望将来,还期望更进一步地提高。
早期的LED主要用于做指示灯。它的发光强度不高,一般小于1mcd,高的也仅几个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于0.21m/W,其功率仅几十mW到上百个mW(属于小功率LED)。本文就从发光强度提高说起。
发光强度及发光效率的提高
作为指示灯方面的应用,有几个mcd的发光强度也可以了,但由LED组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满足使用的要求。所以LED的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。
随着半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展,LED的亮度不断提高,开发出高亮度及超高亮度LED,并且不断创造新记录。
笔者用现有的LED资料,以中5标准封装、发红光、视角差不多的LED为例,以不同的生产年份的发光强度来说明LED发光强度提高的情况,如表1所示。
从表1可以看出,近30年LED的发光强度提高了8000倍左右。1969～1987年LED的发光强度是很低的,发展很慢,但1994～2005年LED的亮度有很大的发展。表1中列出的并非发光强度最高的。例如,在GaAs的衬低上采用AIlnGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED,在小视角4°、50mA工作电流时,其典型发光强度为20000mcd。
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LED另一个重要性能指标是发光效率η,用1m/W来表达。各年份生产的LED发光效率如表2所示。
从表2可以看出,这30多年来,LED的发光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED发光效率提高较慢,1990-2005年则提高较快。例如,Cree公司生产的lW白光LED XL7090WHT,其发光效率可达601m/W。
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封装的白光LED。XL7090WHT的发光强度大,电流350mA时的典型光通量为601m,在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达981m,而目前一般1W白光LED的光通量为30～45lm),XL7090WHT的发光效率高达601m/W,视角宽达100°,封装尺寸仅为9mmx7mmx4.3mm,工作温度范围是-20~+80℃。
由于XL7090WHT发光强度大、发光效率高,因此它适用于家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光,广告灯、路灯及标志灯,汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。
从表1和表2也可以看出,LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AIInGaP(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AilnGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
LED的功率提高
我们知道LED的发光强度和正向电流IF,几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VFxIF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率LED,其功率一般为1～10W(有一些还大于10W)。它的工作电流一般为350～700mA,有些可达1A以上。
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以American Opto Plus LED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例,在700mA电流下,其结温了Tj为25℃,其典型发光强度如表3所示(大功率LED的发光强度用光通量表示)。
从表3可以看出,除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。
早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW),现在已能生产大于10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
虽然说小功率LED和大功率LED的发光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的探究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。另外,采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。例如,用1W白光LED做成灯具,其尺寸为50.8mmx50.8mmx7.1mm,而采用Φ5白光LED来做,其体积则要大得多。但目前大功率LED投产时间不长,价位较高,所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。
白光LED的诞生是个突破
白光LED是LED家族中最后一个问世的,它的诞生是LED生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。
白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光,1995年前后生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用于娱乐场所,增加节日气氛。另外,采用RGB三种管芯组成的RGBLED常用于手机的变色背光。
采用R、G、B三色LED可以组成彩色LED显示屏的像素,用它组成彩色LED显示屏。
在上世纪末,可能受荧光灯的启发,开发出在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为4500～10000K)及暖白光(色温为2850～3800K)的白光LED。目前,白光LED的发光效率大都已超过301m/W,某些产品已超过501m/W的水平。它给用于照明的LED
灯泡创造良好的条件。
在2005年开发出无荧光粉的、Φ5、透明树脂封装的白光LED。该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用InGaN工艺技术制成。在IF为20mA时,发光强度为700～1200mcd。
白光LED照明灯泡
近年来,LED的发光强度及发光效率迅速提高、发光颜色齐全、功率增加、成本降低,给开发各种功能的LED灯泡及灯具创造了极好的条件,也给二次开发LED产品创造良好的机会。例如,现在的城市交通信号灯及标志灯采用LED替代了传统的白炽灯,不仅节省大量的电能,而且无须经常更换损坏的白炽灯摘要:五彩缤纷的各种LED装饰灯,给城市夜景妆扮得五光十色,广场上的超大屏幕的彩色LED显示屏让全世界的球迷过足了瘾。
本文将介绍以下几种白光LED灯的应用及发展,包括彩色LCD的背光照明灯、闪光灯及家用LED照明灯,它们最大的特征是节电和寿命长。
1 彩色LCD的背光照明
由于白光LED作背光时电路比用CCFL简单且尺寸小,所以在手机、PDA等小屏幕彩色LCD中都采用白光LED作背光照明。过去认为白光LED只适用于小面积的彩色LCD显示屏,但近年来,随着LED性能的提高,它不仅用于小尺寸LED屏幕,现已用于5英寸、7英寸DVD、GPS的显示屏上,并发展到12英寸笔记本电脑及电视机的背光照明。
2 闪光灯
数码相机正逐渐替代用胶卷的相机,在数码相机中采用超高亮度的白光LED替代了传统的氙灯。采用超高亮度的白光LED作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省,而且无须充电时间。例如,前面提到的1W白光LED XL7090WHT,它在用作闪光灯时,700mA的脉冲电流时其典型光通量为981m。
3 家用LED照明灯
目前家用照明灯主要是白炽灯、荧光灯(日光灯)及节能荧光灯。白光LED灯泡和荧光灯、节能荧光灯、白炽灯泡在发光效率及平均寿命上的比较如表4所示。
从表4可知,白光LED灯泡的发光效率高于白炽灯泡,但低于荧光灯及节能荧光灯。白光LED的平均寿命最长的,比节能荧光灯高8倍,比白炽灯高33倍多。
目前国内已能生产1～3W由Φ5白光LED组成的白光LED灯泡(外形和白炽灯泡相同,球形外壳用透明塑料做成,直径约60mm,灯头用E27螺纹灯头),其发光效率η超过351m/W。2～3W的白光LED灯泡亮度和25W白炽灯泡差不多。另外,目前也能够生产出12W白光LED的日光灯管,其光通量超过5001m,发光效率超过401m/W。这两种白光LED做成的灯寿命都超过50000h。这两种灯都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成,目前售价较高,且尚未上市。
算一笔节电帐及经济帐
白光LED做成的照明灯节能、长寿命。笔者将发光亮度相差不多的三种灯在使用中作了节电上及经济上的比较。这三种灯分别是3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W的白炽灯泡。这三种灯都采用220V市电供电。在计算中,3W的白光LED灯泡按5W计算(其中有2W是AD/DC及驱动电路的损耗),5W的节能荧光灯按7W计算(2W是自镇流及电路的损耗)。这里要说明的是3W白光LED灯泡及5W节能荧光灯的生产工厂并没有给出这种损耗值,2W是笔者估算的。计算的结果如表5所示。
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从表5可知,从节电的方面来比较,同样使用了50000h,白炽灯要用1250度电,而3W的白光LED灯只要250度电,相差1000度电。假如全国有1亿只3W白光LED灯替代了25W白炽灯泡,则在50000h的使用时间中可节省1000亿度电。另外,从经济方面来比较,用1个3W白光LED灯点了50000h,总的花费是209元,若用25W白炽灯泡需花费688.4元,相差479.4元。
结束语
白炽灯自发明以来已有150年历史,而白光LED灯泡生产才几年。目前在市场上已有白光LED的手电筒、在矿上有白光LED的矿灯,不仅亮度好,而且节电。家用白光LED灯泡目前还没有上市,而且目前只能生产小功率的灯泡,在亮度方面还不如节能荧光灯亮,且价位还较高,普通家庭还难以接受。
随着半导体材料及工艺技术的进步,生产量的增加,笔者认为可能还需3～5年时间,LED照明灯的性能会进一步地提高,价格也会不断地下降,它将逐步地进入千家万户,给您带来节电、明亮的新的光源。
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