第29卷第5期企業(yè)技術(shù)開發(fā)2010年3月TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISEMar 2010LED燈與節(jié)能任霞(四川省內(nèi)江水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院,四川內(nèi)江64100摘要:提倡節(jié)能高效已經(jīng)成為照明科技發(fā)展的主線,世界各國都先后開展了以節(jié)能降耗為主題的綠色照明工程,其中,以LED燈的應(yīng)用最為廣泛。文章對(duì)LED燈的發(fā)光原理,特點(diǎn)及研究進(jìn)展進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:LED燈;原理;特點(diǎn);節(jié)能;缺陷中圖分類號(hào):U463.651文標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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的由來組成:一部分是P型半導(dǎo)體,接在正極引線架上;另一部分是N型半導(dǎo)體,接在負(fù)極引線架上;P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)最早應(yīng)用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源體中間有一個(gè)過渡層,即通常所說的PN結(jié)。把晶片的三問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時(shí)所用的材料是 GaAsP,發(fā)部分內(nèi)容用環(huán)氧樹脂封閉起來,即形成一只LED燈。由紅光(p=650mm),在驅(qū)動(dòng)電流為20mA時(shí),光通量只有于環(huán)氧樹脂可以充分保護(hù)內(nèi)部晶片,因此LED燈的抗震千分之幾個(gè)流明,相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明佤瓦。70年性能相當(dāng)好。代中期,引入元素In和N,使LED產(chǎn)生綠光(Ap=55m),22LED燈發(fā)光原理黃光(λp=590mm)和橙光(λp=610m),光效也提高到1P型半導(dǎo)體內(nèi)部有大量帶正電荷的空穴和帶負(fù)電荷流明/瓦。到了80年代初,出現(xiàn)了 GaAlAs的LED光源,使的電離雜,在電場(chǎng)的作用下,空穴是可以移動(dòng)的,而電離得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。90年代初,發(fā)紅光、雜質(zhì)(離子)是固定不動(dòng)的N型半導(dǎo)體內(nèi)部有許多可動(dòng)黃光的 GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GanN兩種新材料的開的負(fù)電子和固定的正離子。在PN結(jié)外加上電壓,如果P發(fā)成功,使LED的光效得到大幅度的提高。2000年,前者型一邊接正極N型一邊接負(fù)極,電流便從P型一邊流向做成的LED在紅、橙區(qū)(p=615mm)的光效達(dá)到100流N型一邊,空穴和電子都向界面運(yùn)動(dòng),使空間電荷區(qū)變明/瓦,而后者制成的LED在綠色區(qū)域(小p=530mm)的光窄,電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正效可以達(dá)到50流明/瓦。如今,LED燈的發(fā)展越來越快,極,P型一邊接負(fù)極,則空穴和電子都向遠(yuǎn)離界面的方向1998年發(fā)白光的LED也開發(fā)成功,越來越多的地方在應(yīng)運(yùn)動(dòng),使空間電荷區(qū)變寬,電流不能流過。這就是PN結(jié)用LED燈,LED燈具也越來越完善了。的單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?在半導(dǎo)體晶片2LED燈的發(fā)光原理的兩極(引線架)加上正向電壓時(shí),在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多21LED燈的構(gòu)成余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為LED( Lignt Emitting Diode)即發(fā)光二極管的英文縮光能。當(dāng)在晶片兩極加上反向電壓時(shí),少數(shù)載流子難以注寫,是一種固態(tài)的半導(dǎo)體電器元件,這種半導(dǎo)體元件可以入,因此晶片無法發(fā)光。這即是LED燈的發(fā)光原理。發(fā)光直接把電能轉(zhuǎn)換為光。LED燈的核心部位是一塊固定在二極管的構(gòu)架圖如圖1所示。楔形支架上的半導(dǎo)體晶片,楔形支架下有兩根引線架,中國煤化工端接電源正極,另一端接電源負(fù)極。半導(dǎo)體晶片由三部分,其為組件的內(nèi)部量CNMHG所謂組件的內(nèi)部量子收稿日期:2010-01-01作者簡介:任實(shí)(1975-),女,四川內(nèi)江人,大學(xué)本科,氣工程師,效率,其實(shí)就是組件本身的電光轉(zhuǎn)換效率主要與組件本研究方向:電氣技術(shù)身的特性(如組件材料的能帶、缺陷、雜質(zhì))、組件的壘晶第29卷第5期任霞:LED燈與節(jié)能組成及結(jié)構(gòu)等相關(guān)。而組件的取出效率則指的是組件內(nèi)LED的長時(shí)間工作會(huì)光衰引起老化,尤其對(duì)大功率部產(chǎn)生的光子,在經(jīng)過組件本身的吸收、折射、反射后,實(shí)LED來說,光衰問題更加嚴(yán)重。在衡量LED的壽命時(shí),僅際在組件外部可測(cè)量到的光子數(shù)目。因此,關(guān)于取出效率僅以燈的損壞來作為LED壽命的終點(diǎn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,應(yīng)的因素包括了組件材料本身的吸收、組件的幾何結(jié)構(gòu)、組該以LED的光衰減百分比來規(guī)定LED的壽命,比如3%~件及封裝材料的折射率差及組件結(jié)構(gòu)的散射特性等。而5%,這樣更有意義。組件的內(nèi)部量子效率與組件的取出效率的乘積,就是整28大功率LED封裝個(gè)組件的發(fā)光效果,也就是組件的外部量子效率。早期組主要考慮散熱和出光。散熱方面,用銅基熱村,再連件發(fā)展集中在提高其內(nèi)部量子效率,主要方法是通過提接到鋁基散熱器上,晶粒與熱襯之間以錫片焊作為連接,高壘晶的質(zhì)量及改變壘晶的結(jié)構(gòu),使電能不易轉(zhuǎn)換成熱這種散熱方式效果較好,性價(jià)比較高。出光方面,采用芯能,進(jìn)而間接提高LED的發(fā)光效率,從而可獲得70%左片倒裝技術(shù),并在底面和側(cè)面增加反射面反射出浪費(fèi)的右的理論內(nèi)部量子效率,但是這樣的內(nèi)部量子效率幾乎光能,這樣可以獲得更多的有消出光。已經(jīng)接近理論上的極限。在這樣的狀況下,光靠提高組件3LED燈的特點(diǎn)的內(nèi)部量子效率是不可能提高組件的總光量的,因此提高組件的取出效率便成為重要的研究課題。目前的方法31LED燈的優(yōu)點(diǎn)主要是:晶粒外型的改變—mP結(jié)構(gòu),表面粗化技術(shù)。①高效節(jié)能:LED燈具有高光效的特點(diǎn),白熾燈、鹵透明環(huán)氧樹脂封裝LED芯片鎢燈光效為12-24lm/W,熒光燈光效為50-120lm/W。LED光效達(dá)到50~200lm/W,光譜窄、單色性好。同樣的照明糗形支效果,LED燈比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%-90%。單只LED燈的有發(fā)射碗的陰極桿功率可小到0.06-1W,使用電流相當(dāng)小,產(chǎn)生的熱量也很陽極桿弱。較之普通照明燈具,耗電量更低且熱輻射也低②使用安全:多數(shù)LED燈的工作電壓為2-24V,低于人體安全電壓,比普通民用電源更為安全可靠,特別適引線架一用于公共場(chǎng)合的照明③體積小:LED燈的發(fā)光導(dǎo)體是一塊封閉于環(huán)氧樹脂內(nèi)的晶片,所以它具有體積小,質(zhì)量輕的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)使LED燈容易封裝形成各種形狀,更為廣泛的應(yīng)用到圖1發(fā)光二極管的構(gòu)造圖不同環(huán)境的照明產(chǎn)品之中。24LED電氣特性④使用壽命長:在恰當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉碗娏鞯那闆r下,電流控制型器件,負(fù)載特性類似PN結(jié)的U曲線,IED燈的使用壽命可達(dá)10萬h。由于LED燈的晶片被完正向?qū)妷旱臉O小變化會(huì)引起正向電流的很大變化全封閉在環(huán)氧樹脂內(nèi)部,晶片內(nèi)無任何松動(dòng)部分,使用時(shí)指數(shù)級(jí)別),反向漏電流很小,有反向擊穿電壓。在實(shí)際不怕震動(dòng),不易破碎,能夠承受較強(qiáng)的機(jī)械沖擊。比白熾使用中,應(yīng)選擇LED正向電壓隨溫度升高而變小,具有燈和熒光燈更為堅(jiān)固耐用。負(fù)溫度系數(shù)。LED消耗功率,一部分轉(zhuǎn)化為光能,這是我⑤控制性強(qiáng):調(diào)整通過LED燈的電流,可使LED燈們需要的。剩下的就轉(zhuǎn)化為熱能,使結(jié)溫升高。產(chǎn)生不同顏色。如小電流時(shí)為紅色的LED,隨著電流的增2.5LED光學(xué)特性加,可以依次變?yōu)槌壬?黃色,最后為綠色。若加上數(shù)碼控ED提供的是半寬度很大的單色光,由于半導(dǎo)體的制,更可達(dá)到絢麗多彩的動(dòng)態(tài)效果。能隙隨溫度的上升而減小,因此它所發(fā)射的峰值波長隨溫⑥綠色環(huán)保:LED燈中不含汞和鉛等有害元素(普度的上升而增長,即光譜紅移,溫度系數(shù)為+2~3℃。LED燈管中含有汞和鉛等元素);而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(普發(fā)光亮度L與正向電流近似成比例。電流增大,發(fā)光亮度通節(jié)能燈中的電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生電磁干擾)。即使對(duì)廢棄也近似增大。另外發(fā)光亮度也與環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度的LED產(chǎn)品進(jìn)行回收,也不會(huì)造成環(huán)境污染。很多建筑高時(shí),復(fù)合效率下降,發(fā)光強(qiáng)度減小。用泛光燈做立面照明,泛光燈的最大缺點(diǎn)是對(duì)行人和樓2.6LED熱學(xué)特性內(nèi)住戶有可能造成光污染,而LED做立面照明是把燈具小電流下,IED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高,LED直接安縷外照射,對(duì)行人的主波長就會(huì)紅移,亮度會(huì)下降,發(fā)光均勻性、一致性變和住戶中國煤化工差。尤其點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)LED的可靠性、穩(wěn)定性CNMHG,沒有紫外線B影響更為顯著,所以散熱設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。波段,在照明的同時(shí),還可以有效保護(hù)視力。27LED壽命3.2LED燈的缺點(diǎn)企業(yè)技術(shù)開發(fā)2010年3月由于LED光源在我國尚未形成產(chǎn)業(yè),LED主要靠進(jìn)44大型化口,相對(duì)用其他光源做立面照明,一次投資還比較高。隨與液晶顯示器相比,由于LED可以以并聯(lián)的方式聯(lián)著我國先進(jìn)的、專業(yè)的、較大規(guī)模LED制造廠家的逐漸結(jié)在一起,不受尺寸大小的限制,而且LED本身可發(fā)光,投產(chǎn)和LED專業(yè)燈具廠家形成產(chǎn)業(yè),LED燈的一次投資對(duì)于一些需配備大尺寸的產(chǎn)品而言,LED的大型化便成會(huì)越來越低。為希望所在。目前顯示屏的最大尺寸為10x154LED燈研究進(jìn)展45封裝小型化封裝小型化主要是指適合于表面安裝的LED品種正在41可見光LED發(fā)展的主要趨勢(shì)增加,表面安裝LED為帶盤式封裝,卷盤尺寸為11718mm,可見光LED的發(fā)展趨勢(shì)主要是實(shí)現(xiàn)全色,提高亮度,可容納2000只IED管芯,大部分尺寸為219×113mm2改進(jìn)封裝,顯示大型化,材料外延生長技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。最新的表面安裝LED產(chǎn)品將采用專有的“模制內(nèi)部連接金屬有機(jī)化合物氣相淀積( MOCVD)法的晶體生長工藝裝置”技術(shù),使用高效反射外殼既保證亮度,又適合于回已成為當(dāng)代開發(fā)、生產(chǎn)新型LED,實(shí)現(xiàn)全色化、高亮化的流焊接。表面安裝LED已成為封裝小型化的主流和方向。關(guān)鍵技術(shù)。4.2全色化5結(jié)語在實(shí)用化的可見光LED中缺少藍(lán)色,不久前還是實(shí)基于環(huán)保立場(chǎng)以及節(jié)約能源訴求,全球各國政府都很現(xiàn)全色化的一大難題,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)全色(包括白色)顯示,重視LED燈具帶來的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能效益。除了歐盟與美國必須要有紅、綠、藍(lán)三基色,因而藍(lán)色LED的發(fā)展一直受國會(huì)均進(jìn)行階段性禁止白熾燈泡的使用外,目前已經(jīng)有加全色顯示所驅(qū)動(dòng)。多年來,日美等國都在極力研究開發(fā)藍(lán)拿大宣布2010年全面禁止白熾燈泡,美國加州的部分色LED1994年日本日亞公司首先開發(fā)成功。藍(lán)色LED州,也將在2010年禁止白炙燈泡,而澳州則宣布在2010主要應(yīng)用于全色顯示屏,至今仍未形成大批量生產(chǎn)。改善年全面禁止販?zhǔn)郯谉霟襞?中國、日本也有LED獎(jiǎng)勵(lì)方藍(lán)色LED的晶體材料質(zhì)量,提高發(fā)光效率,降低成本仍案在規(guī)劃中。全球LED生產(chǎn)廠商也看好這次照明革命的是今后發(fā)展的主要目標(biāo)。商機(jī)而紛紛投入,隨著產(chǎn)量的增加,LED燈具的價(jià)格也會(huì)高亮化隨之降低,這將會(huì)迅速推進(jìn)LED燈具的普及性。前全球LED的產(chǎn)值中高亮度產(chǎn)品約為30%。至2000年,全球LED的總產(chǎn)值突破38146億美元,其中高參考文獻(xiàn)亮度產(chǎn)品每年都會(huì)有30%的增長,至于中低亮度的產(chǎn)品(1]梁春廣,張萬生可見光LED的進(jìn)展門半導(dǎo)體情報(bào),9,增長率不會(huì)超過5%。再者超高亮度(法向光強(qiáng)超過100034(3):1-9.mcd者)之紅、橙、黃、綠、藍(lán)色I(xiàn)ED產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng),使凹2]王國宏半導(dǎo)體照明大功率LED進(jìn)展新材料產(chǎn)業(yè),2004其在戶外廣告板、超大型屏幕交通指示燈、汽車尾燈、剎6):26-29車燈、方向燈等方面的應(yīng)用在擴(kuò)大。3]楊笑衛(wèi)高亮度,純白色LED燈的研制門中國照明電器,2000,(1):27-29(上接第50頁)復(fù)雜性和雷電活動(dòng)的分散性,雷擊幾率受(2]DLT621-1997,交流電氣裝置的接地!S制約因素的多樣性,它的危害不可能完全消除和避免所[③]梁清強(qiáng)送電線路桿塔接地裝置結(jié)構(gòu)型式的探討印福建以我們必須要對(duì)具體的工程要做具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析電力與電工,2003,23(1):35-36做出切合實(shí)際的設(shè)計(jì),確保線路暢通,從而提高線路安全4]GB50233-2005,110kV-500k架空送電線路施工及驗(yàn)運(yùn)行的可靠性,保證連續(xù)供電。收規(guī)范[S]5]林玉鉗有關(guān)送電線路桿塔接地電阻測(cè)量的探討]高電參考文獻(xiàn)壓技術(shù),2004,30(8):60-61]DL620199,交流電氣裝置過電壓保護(hù)和絕緣配合6DT897-04,軒塔工頻接地電阻測(cè)量S中國煤化工CNMHG