LED灯与节能

第29卷第5期企业技术开发2010年3月TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISEMar 2010LED灯与节能任霞(四川省内江水利电力建筑勘察设计研究院,四川内江64100摘要:提倡节能高效已经成为照明科技发展的主线,世界各国都先后开展了以节能降耗为主题的绿色照明工程,其中,以LED灯的应用最为广泛。文章对LED灯的发光原理,特点及研究进展进行了探讨。关键词:LED灯;原理;特点;节能;缺陷中图分类号:U463.651文标识码:A文章编号:1006-8937(2010)05-0056-03LED lights and energy savingreN Xia(Neijiang Architectural Survey and Design Institute of Water Conservancy and Electric Power, Neijiang, Sichuan 641000, China)Abstract: The promotion of energy efficient lighting has become the main line of development, countries in the world have carriedout to the theme of energy saving green lighting project. Among them, the most widely used is LED light. This article discussed onthe principle of luminosity, characteristics and research progress of LED lightsKeywords: LED lights principle characteristics; energy saving; defects1LED的由来组成:一部分是P型半导体,接在正极引线架上;另一部分是N型半导体,接在负极引线架上;P型导体和N型导最早应用半导体PN结发光原理制成的LED光源体中间有一个过渡层,即通常所说的PN结。把晶片的三问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是 GaAsP,发部分内容用环氧树脂封闭起来,即形成一只LED灯。由红光(p=650mm),在驱动电流为20mA时,光通量只有于环氧树脂可以充分保护内部晶片,因此LED灯的抗震千分之几个流明,相应的发光效率约0.1流明佤瓦。70年性能相当好。代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(Ap=55m),22LED灯发光原理黄光(λp=590mm)和橙光(λp=610m),光效也提高到1P型半导体内部有大量带正电荷的空穴和带负电荷流明/瓦。到了80年代初,出现了 GaAlAs的LED光源,使的电离杂,在电场的作用下,空穴是可以移动的,而电离得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初,发红光、杂质(离子)是固定不动的N型半导体内部有许多可动黄光的 GaAlInP和发绿、蓝光的GanN两种新材料的开的负电子和固定的正离子。在PN结外加上电压,如果P发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。2000年,前者型一边接正极N型一边接负极,电流便从P型一边流向做成的LED在红、橙区(p=615mm)的光效达到100流N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(小p=530mm)的光窄,电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正效可以达到50流明/瓦。如今,LED灯的发展越来越快,极,P型一边接负极,则空穴和电子都向远离界面的方向1998年发白光的LED也开发成功,越来越多的地方在应运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是PN结用LED灯,LED灯具也越来越完善了。的单向导电性。利用PN结的单向导电性,在半导体晶片2LED灯的发光原理的两极(引线架)加上正向电压时,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21LED灯的构成余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为LED( Lignt Emitting Diode)即发光二极管的英文缩光能。当在晶片两极加上反向电压时,少数载流子难以注写,是一种固态的半导体电器元件,这种半导体元件可以入,因此晶片无法发光。这即是LED灯的发光原理。发光直接把电能转换为光。LED灯的核心部位是一块固定在二极管的构架图如图1所示。楔形支架上的半导体晶片,楔形支架下有两根引线架,中国煤化工端接电源正极,另一端接电源负极。半导体晶片由三部分,其为组件的内部量CNMHG所谓组件的内部量子收稿日期:2010-01-01作者简介:任實(1975-),女,四川内江人,大学本科,气工程师,效率,其实就是组件本身的电光转换效率主要与组件本研究方向:电气技术身的特性(如组件材料的能带、缺陷、杂质)、组件的垒晶第29卷第5期任霞:LED灯与节能组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组件内LED的长时间工作会光衰引起老化,尤其对大功率部产生的光子,在经过组件本身的吸收、折射、反射后,实LED来说,光衰问题更加严重。在衡量LED的寿命时,仅际在组件外部可测量到的光子数目。因此,关于取出效率仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的,应的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命,比如3%~件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而5%,这样更有意义。组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积,就是整28大功率LED封装个组件的发光效果,也就是组件的外部量子效率。早期组主要考虑散热和出光。散热方面,用铜基热村,再连件发展集中在提高其内部量子效率,主要方法是通过提接到铝基散热器上,晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接,高垒晶的质量及改变垒晶的结构,使电能不易转换成热这种散热方式效果较好,性价比较高。出光方面,采用芯能,进而间接提高LED的发光效率,从而可获得70%左片倒装技术,并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的右的理论内部量子效率,但是这样的内部量子效率几乎光能,这样可以获得更多的有消出光。已经接近理论上的极限。在这样的状况下,光靠提高组件3LED灯的特点的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的,因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法31LED灯的优点主要是:晶粒外型的改变—mP结构,表面粗化技术。①高效节能:LED灯具有高光效的特点,白炽灯、卤透明环氧树脂封装LED芯片钨灯光效为12-24lm/W,荧光灯光效为50-120lm/W。LED光效达到50~200lm/W,光谱窄、单色性好。同样的照明糗形支效果,LED灯比传统光源节能80%-90%。单只LED灯的有发射碗的阴极杆功率可小到0.06-1W,使用电流相当小,产生的热量也很阳极杆弱。较之普通照明灯具,耗电量更低且热辐射也低②使用安全:多数LED灯的工作电压为2-24V,低于人体安全电压,比普通民用电源更为安全可靠,特别适引线架一用于公共场合的照明③体积小:LED灯的发光导体是一块封闭于环氧树脂内的晶片,所以它具有体积小,质量轻的特点。这一特点使LED灯容易封装形成各种形状,更为广泛的应用到图1发光二极管的构造图不同环境的照明产品之中。24LED电气特性④使用寿命长:在恰当的工作电压和电流的情况下,电流控制型器件,负载特性类似PN结的U曲线,IED灯的使用寿命可达10万h。由于LED灯的晶片被完正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化全封闭在环氧树脂内部,晶片内无任何松动部分,使用时指数级别),反向漏电流很小,有反向击穿电压。在实际不怕震动,不易破碎,能够承受较强的机械冲击。比白炽使用中,应选择LED正向电压随温度升高而变小,具有灯和荧光灯更为坚固耐用。负温度系数。LED消耗功率,一部分转化为光能,这是我⑤控制性强:调整通过LED灯的电流,可使LED灯们需要的。剩下的就转化为热能,使结温升高。产生不同颜色。如小电流时为红色的LED,随着电流的增2.5LED光学特性加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色。若加上数码控ED提供的是半宽度很大的单色光,由于半导体的制,更可达到绚丽多彩的动态效果。能隙随温度的上升而减小,因此它所发射的峰值波长随温⑥绿色环保:LED灯中不含汞和铅等有害元素(普度的上升而增长,即光谱红移,温度系数为+2~3℃。LED灯管中含有汞和铅等元素);而且不会产生电磁干扰(普发光亮度L与正向电流近似成比例。电流增大,发光亮度通节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰)。即使对废弃也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关,环境温度的LED产品进行回收,也不会造成环境污染。很多建筑高时,复合效率下降,发光强度减小。用泛光灯做立面照明,泛光灯的最大缺点是对行人和楼2.6LED热学特性内住户有可能造成光污染,而LED做立面照明是把灯具小电流下,IED温升不明显。若环境温度较高,LED直接安缕外照射,对行人的主波长就会红移,亮度会下降,发光均匀性、一致性变和住户中国煤化工差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性CNMHG,没有紫外线B影响更为显著,所以散热设计很关键。波段,在照明的同时,还可以有效保护视力。27LED寿命3.2LED灯的缺点企业技术开发2010年3月由于LED光源在我国尚未形成产业,LED主要靠进44大型化口,相对用其他光源做立面照明,一次投资还比较高。随与液晶显示器相比,由于LED可以以并联的方式联着我国先进的、专业的、较大规模LED制造厂家的逐渐结在一起,不受尺寸大小的限制,而且LED本身可发光,投产和LED专业灯具厂家形成产业,LED灯的一次投资对于一些需配备大尺寸的产品而言,LED的大型化便成会越来越低。为希望所在。目前显示屏的最大尺寸为10x154LED灯研究进展45封装小型化封装小型化主要是指适合于表面安装的LED品种正在41可见光LED发展的主要趋势增加,表面安装LED为带盘式封装,卷盘尺寸为11718mm,可见光LED的发展趋势主要是实现全色,提高亮度,可容纳2000只IED管芯,大部分尺寸为219×113mm2改进封装,显示大型化,材料外延生长技术实现产业化。最新的表面安装LED产品将采用专有的“模制内部连接金属有机化合物气相淀积( MOCVD)法的晶体生长工艺装置”技术,使用高效反射外壳既保证亮度,又适合于回已成为当代开发、生产新型LED,实现全色化、高亮化的流焊接。表面安装LED已成为封装小型化的主流和方向。关键技术。4.2全色化5结语在实用化的可见光LED中缺少蓝色,不久前还是实基于环保立场以及节约能源诉求,全球各国政府都很现全色化的一大难题,因为要实现全色(包括白色)显示,重视LED灯具带来的经济与节能效益。除了欧盟与美国必须要有红、绿、蓝三基色,因而蓝色LED的发展一直受国会均进行阶段性禁止白炽灯泡的使用外,目前已经有加全色显示所驱动。多年来,日美等国都在极力研究开发蓝拿大宣布2010年全面禁止白炽灯泡,美国加州的部分色LED1994年日本日亚公司首先开发成功。蓝色LED州,也将在2010年禁止白炙灯泡,而澳州则宣布在2010主要应用于全色显示屏,至今仍未形成大批量生产。改善年全面禁止贩售白炽灯泡,中国、日本也有LED奖励方蓝色LED的晶体材料质量,提高发光效率,降低成本仍案在规划中。全球LED生产厂商也看好这次照明革命的是今后发展的主要目标。商机而纷纷投入,随着产量的增加,LED灯具的价格也会高亮化随之降低,这将会迅速推进LED灯具的普及性。前全球LED的产值中高亮度产品约为30%。至2000年,全球LED的总产值突破38146亿美元,其中高参考文献亮度产品每年都会有30%的增长,至于中低亮度的产品(1]梁春广,张万生可见光LED的进展门半导体情报,9,增长率不会超过5%。再者超高亮度(法向光强超过100034(3):1-9.mcd者)之红、橙、黄、绿、蓝色IED产品已进入市场,使凹2]王国宏半导体照明大功率LED进展新材料产业,2004其在户外广告板、超大型屏幕交通指示灯、汽车尾灯、刹6):26-29车灯、方向灯等方面的应用在扩大。3]杨笑卫高亮度,纯白色LED灯的研制门中国照明电器,2000,(1):27-29(上接第50页)复杂性和雷电活动的分散性,雷击几率受(2]DLT621-1997,交流电气装置的接地!S制约因素的多样性,它的危害不可能完全消除和避免所[③]梁清强送电线路杆塔接地装置结构型式的探讨印福建以我们必须要对具体的工程要做具体的技术经济分析电力与电工,2003,23(1):35-36做出切合实际的设计,确保线路畅通,从而提高线路安全4]GB50233-2005,110kV-500k架空送电线路施工及验运行的可靠性,保证连续供电。收规范[S]5]林玉钳有关送电线路杆塔接地电阻测量的探讨]高电参考文献压技术,2004,30(8):60-61]DL620199,交流电气装置过电压保护和绝缘配合6DT897-04,轩塔工频接地电阻测量S中国煤化工CNMHG