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LED的重要参数

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LED的重要参数

LED的重要参数

1.LED极限参数的意义

(1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。

(2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

(3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。

(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。

2电参数的意义

(1)光谱分布和峰值波长:某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2-1所示。由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大,该波长为峰值波长。

(2)发光强度IV:发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。

(3)光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度。是指图2-1中1/2峰值光强所对应两波长之间隔。

(4)半值角θ1/2和视角:

θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。 图2-2   不同型号LED光强分布

半值角的2倍为视角(或称半功率角)。

图2-2给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然,法线方向上的相对发光强度为1,离开法线方向的角度大,相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。

(5)正向工作电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

(6)正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。在外界温度升高时,VF将下降。

(7)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系可用图2-3表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流Ir<10μA以下。

图2-3   LED的V-I特性曲线

2.2:LED的分类

按发光管发光颜色分

按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管发出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管适合于做指示灯用。

按发光管出光面特征分

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1;把φ5mm的记作T-1(3/4);把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类:

(1)高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。

(2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。

(3)散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大。

按发光二极管的结构分

按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

按发光强度和工作电流分

按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度<10mcd);超高亮度的LED(发光强度>100mcd);把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。

按发光波长分

发光二极管依发光波长分为可见光发光二极管(波长450~680nm) 与不可见光发光二极管(波长850~1550nm)两大类。若以其使用的磊晶层材料可进一步分为二元化合物(如GaAs、GaSb、GaN 等)、三元化合物( 如AlxGa1-xAs 、AlxGa1-xP 、In1-xGaxAs 等) 、四元化合物( 如AlInGaP、InAlGaAs、AlxGa1-xAsyP1-y 等)及GaN 系化合物四大类。除上述分类方法外,还有按芯片材料分类等按功能分类的。

2.3:LED的使用说明

2.3.1焊接

焊接温度在260℃左右,时间控制在5S以内,焊接点离胶体底部在2.5mm以上,电烙铁一定要接地。请勿带电焊接LED。通电情况下,避免在80℃以上高温作业,如有高温作业一定要做好散热。

2.3.2静电

所有与蓝、绿、紫、白LED相关作业人员一定要做好防静电:如带静电环;穿静电衣;穿静电鞋等。带有线静电环时,静电环一定要接地,并且地线与市地线电位差不要超过5V;或者阻抗不要超过25Ω。作业机台与作业面均需加装地线。

2.3.3 LED的工作电流

使用LED时电流最好不要20mA,最好使用15-19 mA。

2.3.4 LED安装位置

器件不可与发热组件靠得太近,工作条件不可超过其规定的极限。

2.3.5 LED的清洁

如需清洁LED时,建议用超声波清洗LED,如暂时没有超声波清洗机可暂用酒精代替,但清洗时间不要超过1分钟。

特别强调:不要用有机溶济(如丙酮,天那水)清洗或擦洗LED胶体,会造成不发光或胶体内部破裂,导致LED内部金线与芯片过激破坏。

2.3.6 LED的弯脚处理

LED在弯脚或拆脚时请不要离胶体太近,应与胶体保持2mm以上的距离,否则会使LED里面支架与金线分离;管脚在同一处的折叠不要超过3次,管脚弯成90°,再回到原位置为1次。

2.4 LED的连接形式

   LED作为驱动电路的负载,经常需要几十个甚至上百个LED组合在一起,构成发光组件,LED负载的连接形式直接关系到其可靠性和寿命。

(1)串联连接形式:即将多个LED的正极对负极连接成串,其优点通过每个LED的工作电流一样,一般应串入限流电阻R,如图2-4(左边)的电路,则:Vcc=If×R+ΣVfn,If=(Vcc-ΣVfn)/R。假定为N=8的GaAs材料LED,设计正向电流If=20mA为目标值,单个LED正向电压Vf=2.0V,则VD=8×Vf=16.0V ,VR=If×R=20mA×200Ω=4.0V,Vcc=VD+ VR=20.0V。

图2-4   LED的串联,并联与混联电路

当单管Vf离散性较大时,假设VD=15.6~16.4V时,则对应VR=4.4~3.6V,很容易计算If=22mA~18mA,可以得出单个LED光强变化量在10%以内,基本上保持发光组件亮度均匀。当出现一个LED短路时,VD=14V 则VR=6V;If=VR/R=30mA,实际上由于单管短路造成If上升,单管Vf随If的增加而增加,VD应高于14V,则VR小于6V,灯串电流应小于30mA,具体电流值与所采用不同的LED单管有关,实验中测量为28mA左右;当出现一个LED开路时,将导致这串8个LED熄灭,从原理上LED开路的可能性极小,但整串熄灭的风险还是存在。

(2)并联连接形式:即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接(如图2-4中间),其特点是每个LED的工作电压一样,总电流为ΣIfn,为了实现每个LED的工作电流If一致,要求每个LED的正向电压也要一致。但是,由于器件之间特性参数存在一定差别,且LED的正向电压Vf随着温度上升而下降,不同LED可能因为散热条件差别,而引发工作电流If的差别,散热条件较差的LED温度上升也较大;正向电压Vf下降也较大,造成工作电流If上升,而工作电流If上升又加剧温升,如此循环可能导致LED烧毁。因此LED一般不采用直接并联的方式;如要采用LED直接并联的方式,应考虑器件和环境差别等因素对电路的影响,设计时要有预留量,如因要与电源电压相配合则可在每个LED中串联合适的电阻,可降低LED被烧毁的风险。

(3)LED的混联形式

图2-4右边为先串联后并联混合连接构成的发光组件。对于单组串联LED来讲,即使由于器件和使用条件的差别,导致单组中个别LED芯片丧失PN结特性,出现短路或开路的情况,只是在单组中的LED工作电流If发生变化,对整个并联电路来说变化相对较小,不至于使整个发光组件失效。因此说这种连接形式的发光组件可靠性高,并且对LED的要求也较宽松,适用范围大,不需要特别挑选LED,整个发光组件的亮度也相对均匀。在工作环境因素变化较大情况下,使用这种连接形式的发光组件效果较为理想,目前在大量照明实例中大多数采用该连接方式。用多颗LED组成一个发光面时,应尽量用同一发光亮度的LED去组合,但在无法保证得到相同发光亮度时,实践证明配备的原则是中间用发光亮度稍小的LED,而周围用发光亮度较大的LED,这样的配置能使整个发光面看起来较匀称。

图2-5   LED交叉阵列形式连接图

(4)交叉阵列形式

为了提高LED照明电路的可靠性,降低灭灯的几率,人们又设计了许多新的连接方式,交叉阵列形式就是其中比较新颖的一种。交叉阵列形式如图2-5所示,每串以3只LED为一组,其共同电流输入来源于a、b、c串,输出也同样分别连接到a、b、c串,构成交叉阵列形式。这种交叉连接方式的目的是,即使个别LED开路或短路,也不至于造成发光组件整体失效。

当有一颗LED品质不良短路时,不管采用稳压式驱动还是恒流式驱动,并联在这一路的LED将全部不亮,如果是采用恒流式LED驱动,由于驱动器输出电流保持不变,除了并联在短路LED的这一并联支路外,其余的LED正常工作。假设并联的LED数量较多,驱动器的驱动电流较大,通过这颗短路的LED电流将增大,大电流通过这颗短路的LED后,很容易就变成断路。由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,哪么整个LED灯,仅有一颗LED不亮。

   如果采用稳压式驱动,LED品质不良短路瞬间,负载相当少并联LED一路,加在其余LED上的电压增高,驱动器输出电流将大增,极有可能立刻损坏所有 LED,幸运的话,只将这颗短路的LED烧成断路,驱动器输出电流将恢复正常,由于并联的LED较多,断开一颗LED的这一并联支路,平均分配电流不大,依然可以正常工作,哪么整个LED灯,也仅有一颗LED不亮。

  通过对以上分析可知,驱动器与负载LED串并联方式搭配选择是非常重要的,恒流式驱动功率型LED是不适合采用并联负载的,同样的,稳压式LED驱动器不适合选用串联负载。

2.5 LED的未来发展趋势

固态照明市场诱人

陈良惠院士算过一笔账:2003 年,全国发电量为 1.91 万亿千瓦时(度),其中照明用电占 12 %,即 2292 亿度。按照每年增长 5 %计算,到 2010 年,照明用电可达 3225 亿度。按照同样亮度下固态照明用电仅为白炽灯的十分之一、并取代三分之一的白炽灯计算,届时可节约照明用电约 1000 亿度。三峡工程总工期 17 年,全部建成需 20 年,静态、动态投资合计为 3000 亿元,建成后年均发电量 846.8 亿度。而用 15 年时间,投资 50 亿至 100 亿元发展固态照明产业,相当于仅用三峡工程 5 %的投入再造一个“绿色三峡工程”。在美国能源部设立的半导体照明国家研究项目中,给固态照明描绘了美好的前景:2010 年有 55 %的白炽灯、荧光灯被取代, 2025 年使美国照明用电(现为 6000 亿度)减少一半;从 2000 年到 2020 年,使用固态照明可累计减排2.58 亿吨碳污染物,少建133 座100 万千瓦的电站,节约开支 1150亿美元,形成每年500亿美元的光源产业,还带来数以百万计的高质量工作机会。日本计划2006年用半导体灯大规模取代白炽灯,节电相当于一两座核电站的发电量,每年可以节省 10 公斤以上的原铀消耗。虽然固态照明要真正进入通用照明市场,在技术和成本上还要有重大的突破,这需要大量投资和长期努力。但它的预期市场魅力无法抗拒,难怪各国纷纷启动国家项目给予引导和支持。

固态照明发展强劲

中国科学院早在上世纪60年代就开展发光科学的研究,80 年代走向生产,直到本世纪初才形成规模。2002 年我国发光二极管( LED )生产企业数达420家,员工3万余人,产量150 多亿支,产值80多亿元;去年产量达200亿只,产值100多亿元,增速超过30 %,其中超高亮度发光二极管产量几十亿只,增速超过50%。我国早期只是引进管芯进行封装,属劳动密集型产业;上世纪末,从引进外延片进行加工,发展为技术含量较高的外延片的研发和小批量生产。目前,固态照明在我国还需要强力支持。去年,大连路明集团建立的我国第一家生产高品质发光二极管的大连路美芯片科技有限公司投产,使我国成为继美、日之后第三个拥有 LED 核心技术并实现产业化的国家,还并购了世界LED 四强之一 ——美国 A&T公司的光事业部,使我国的半导体照明产业跨入世界的前列。目前我国半导体照明技术与国际先进水平相比,差距仅有几年。以现有的技术和产业基础,有望通过整体推进,最终形成有核心竞争力的固态照明产业。

固态照明离民用照明的使用还有两方面的障碍,一是光电转化效率较低,目前是25流明(光通量的单位)/千瓦,虽高于白炽灯,但是低于日光灯的85 流明/千瓦,要达到民用照明的经济性要求,需提高到160 流明至200 流明/千瓦;二是价格较高,是白炽灯的十几至几十倍,日、美、欧盟等启动的半导体照明计划,主攻方向之一就是降低造价,他们提出的让半导体灯大规模替代白炽灯的时间表,大致为2008 年和2010年。

随着固态照明技术的不断完善,白炽灯最终将被代替的趋势已经不可避免。节能、长寿命、免维护、易控制、环保,半导体灯有着这么多的优点,我们还有什么理由拒绝它的到来呢?

2.6全球白光LED研制进展

白光LED分单芯片、双芯片和三芯片,以下将按这一分类介绍:

单芯片

InGaN(蓝)/YAG荧光粉

这是一种目前较为成熟的产品,其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍。实验证明,电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好,Φ5的白光LED在工作1.2万小时后,光输出下降80%,而这种功率LED在工作1.2万小时后,仅下降10%,估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w,最高光通量为187lm,产业化产品可达120lm,Ra为75-80(Ra为显色指数)。

InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉

Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4:Eu2+(绿色)和SrS:Eu2+(红色)荧光粉,色温可达到3000K-6000K的较好结果,Ra达到82-87,较前述产品有所提高。InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉

Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED;丰田已生产此类白光LED,其Ra大于等于90,但发光效率还不够理想;日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED,如制成白色LED,会有较好效果。

ZnSe和OLED白光器件也有进展,但离产业化生产尚远。

双芯片

可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成,此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能在显色性要求不高的场合使用。

三芯片(蓝色+绿色+红色)

Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件,色温可达

3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片,则缺少黄色调,Ra只能达到20或30。omj1U采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用Luxeon RGB器件制成用于景观照明的系统产品,用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸),产品的性能都不错。

四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色)

采用465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。此外,Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED,每个器件光通量达130lm,色温为5500K。

照明用白光LED技术指标

照明用白光LED不同于传统的LED产品,在技术性能指标上有一些特殊要求:

光通量

一个Φ5 LED的光通量仅为1lm左右,而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然,光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低,仅8lm/w,所以一个15W白炽灯的光通量,与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。

发光效率

目前产业化产品已从15lm/w提高到25lm/w,研究水平为32lm/w,最高水平已达44.3lm/w。

色温

在2500K-6000K之间,最好是2500K-3500K之间。

显色指数Ra

最好是100。

稳定性

波长和光通量均要求保持稳定,但其稳定性程度依照明场合的需求而定。

寿命5万小时至10万小时。

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