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LED照明灯原理

来源: | 发布日期:2021-10-25

LED是发光二极体(Light Emitting Diode)的简称,通常我们也称作发光二极管。这种半导体组件自发展以来一般是作为指示灯、显示板,但现在随着科技的不断进步,它已经能作为光源使用了,不仅能够高效率地直接将电能转化为光能,而且拥有最长达数万小时~十万小时的使用寿命,同时它不会像传统灯泡那样易碎、耗电高。LED拥有环保无汞、体积小、可应用在低温环境、光源具有方向性、造成光害少与色域丰富等等优点。

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随着白光LED的出现与更多科技的导入,目前在家用电器及笔记本电脑的指示灯、汽车防雾灯、室内照明等照明设备日渐蓬勃,LED的应用越来越普遍。

 1955年时,美国无线电公司(Radio Corporation of America)的Rubin Braunstein 发现了砷化镓(GaAs)与其它半导体合金的红外线发射作用,而1962年美国通用电气公司(GE)的Nick Holonyak Jr 则开发出了可见光的LED。不过,LED真正的起飞是在1990年代白光LED出现后,才开始渐渐被重视,而应用领域也越来越广泛。

LED是一种可以将电能转化为光能的电子零件,并且具备二极体的特性,也就是具备一正极一负极,LED最特别的地方在于只有从正极通电才能够发光,故一般给予直流电时,LED会稳定地发光。如果接上交流电,LED会呈现闪烁的状态,闪烁的频率随着输入交流电的频率而定。LED发光二极管的发光原理是外加电压,让电子与电洞在半导体内结合后,将能量以光的形式释放。目前全球产业所发展出的各种LED能够发出从红外线到蓝之间不同波长的光线,而业界也有紫色或紫外线的LED,近年来LED最吸引人的发展是在蓝光LED上涂上荧光粉,将蓝光转化成白光的白光LED产品。LED之所以被称为世纪新光源,原因在于LED具备点光源与固态光源的特性,能够节省能源、高耐震、寿命长、体积小响应快速、并且色彩饱和度高。


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因为LED的制造材料不同,产生出来的光子拥有的能量也不同,因此业界通过制造材料来控制LED发光的波长,故而产生拥有不同光谱与颜色各种LED。

全球第一颗LED采用的材料是砷化镓(AsGa),工作电压为1.424V,其发出的光线为红外光谱。后来,业界发展出以磷化镓(PGa)作为LED的材料,工作电压为2.261V,发出的光为绿光。业界早期就通过这两种型态LED所需的材料,调配出从红外到绿色光范围内所有波长的LED产品,发展出了常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等,这三大类LED因为使用了镓、砷、磷三种元素,所以被称为3元素LED,而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。再后来发展出了采用混合铝(Al)、钙(Ca)、銦(In)和氮(N)共4种元素的4元素LED,就能够发出所有可见光范围与部分紫外线光谱的光线。

在讨论LED产品会看的发光亮度有三种单位,分别是照度单位勒克司(Lux)、光量单位流明(Lumen/lm)、发光强度单位烛光(Candle power / CD),三种单位各自有适合使用的领域,但是数值上是互通的。

CD表示完全辐射的物体,在白金凝固点温度下,每六十分之一平方公分面积的发光强度。适合用在主动发光灯具领域,如白热灯泡。

lm表示1CD光照射在距离为1公分,面积为1平方公分平面上的光量。适合用在反射灯具与穿透灯具领域,如投影机。

Lux表示指1lm光量均匀分布在1平方米面积上的照度,适合用在摄影领域。


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一般而言,单一LED的发光强度以CD为单位,并配上视角参数,而LED的发光强度从个位数mCD到5000mCD不等。厂商在标示LED单一产品时,其发光强度规格是说LED在20mA电流下点亮时,最佳视角上和中心位置上发光强度最大点的发光强度。

一般LED发光二极管的发光寿命都非常长,产品大多标明为100000小时以上,但是事实上LED的亮度是会衰减的,在使用一段时间后,亮度会衰减到原来的一半或者甚至更少。但随着业界技术的进步,减少LED亮度衰减问题的方案越来越多。在生产过程中,选用如4元素LEC材料能够拥有较久的亮度衰减周期,而厂商使用的LED工艺与成品究竟能使用多久有很大的关系,配色也是LED厂的生产关键。

发光二极管的工作原理发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。


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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PN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。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),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

LED的使用寿命,比一般白炽灯泡的1000小时、日光灯具的1万小时,LED使用寿命可达5万小时,大幅度降低灯具替换的成本。这个特点帮助LED灯具在价格竞争上,有了将一般灯泡替换成LED的好理由,更可以借着这项优势,让许多原本因经济考量而不能全天开启的环境,籍由LED照明让公共或私人场所更安全。

除了我们熟悉的各种电子产品上面的LED指示灯外,LED屏幕、LED照明、液晶屏幕用的LED背光源、手机上按键的LED背光、新时代的OLED屏幕、PLED屏幕等等各式各样关于LED的应用正逐渐稳定的发展中,部分领域的LED应用因为市场发展趋于成熟,普及的速度开始加快,也无形中创造出惊人的商机。


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