高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用[2]

　　2.3 　封装

　　典型的LED封装结构如图4 所示,芯片的正极通过球形接触点和金线,与管脚相连,负极通过反射杯和引线架与另一管脚相连。反射杯主要用于收集芯片侧面和底面发出的光,向期望的方向角内反射出去。环氧树脂主要起三方面作用:一是保护芯片等不受外界侵蚀;二是通过不同的形状,起到透镜的作用,控制光的发散角;三是由于芯片折射率与空气折射率相比太大,芯片内的光易发生全反射,导致过多光损失,因此通过环氧树脂作一过渡,提高芯片的光出射效率。

　　一般情况下,L ED 的光输出随着电流的增加而增加,然而,目前大多数L ED 的驱动电流限制在20mA ,从而限制了单只L ED 的输出光通量。其实,20mA 不是驱动L ED 的最大电流值,现在有很多高功率的L ED 的驱动电流可以达到70 mA、100 mA 甚至1 A。关键在于,要提高驱动电流,必须先解决导热的问题。由于pn 结的工作温度有一个最高值的要求,约120 ℃,因此,要提高驱动电流,得到加大的单只器件的输出光通量,需要改善封装结构,例如采用大晶片结构、选用导热性能好的银胶和增大金属支架的表面积等方法。此外,在应用设计中, PCB线路板等的导热性能也很重要。

　　3 　白色LED

　　半导体pn 结的电致发光机理决定了LED 不可能产生具有连续光谱的白光,同时单只LED 也不可能产生两种以上的高亮度单色光。因此半导体光源要产生白光可以先产生蓝光,再借助于荧光物质间接产生宽带光谱,合成白光。图5 示出了这种白光LED的结构,图6 是其输出光谱。作为对比,图6还同时给出了普通白炽灯的输出光谱。

　　现在,对于使用荧光粉的白光LED,通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的浓度,可以获得色温为3 500～10 000 K 的各种白光,以满足不同照明场合的要求。除了采用荧光粉的方法以外,也可采用将几种发不同色光的芯片封装在一起的方法,通过这些色光的混合构成发白光的L ED。表1列出了目前白色L ED 的种类及其发光原理。

　　4 　LED作为照明光源的特点

　　LED作为一种新颖的半导体光源,其特点主要表现在以下几个方面。

　　4.1 　寿命长

　　LED的使用寿命可以长达十万小时,传统的光源在这方面无法与之相比。一般来讲,普通白炽灯的寿命约为一千小时,荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时,高压钠灯是有电极的放电灯中寿命较长的,为二万多小时,射频或微波激发的无极放电灯放电管的寿命虽然可达到六万小时,但整灯的寿命要受制于激励电路中的电子元器件和微波振荡管的寿命。因此,在一些维护和换灯困难的场合,使用LED作为光源,可大大降低人工费用。

　　4.2 　启动时间短

　　气体放电光源从启动至光辐射稳定输出,需要几十秒至几十分的时间,这是由气体放电光源本身的特性决定的,因为多数气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体,启动后需要一个加热气化的过程,才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源,给人的感觉是一点就亮,实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间。而L ED 的响应时间只有几十纳秒,因此在一些需要快速响应或高速运动的场合,应用LED作为光源是很合适的。

　　4.3 　结构牢固

　　LED是用环氧封装的半导体发光的固体光源,其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件,是一种实心的全固体结构,因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。L ED 的这一特性使它可以应用于使用条件较为苛刻和恶劣的场合。

　　4.4 　功耗低

　　LED的能耗较小,是一种节能光源。目前白光LED的光效已经达到25 lm/ W ,超过了普通白炽灯的水平,而且现在L ED 的技术发展很快,有人预计到2005 年,白光LED的光效可以达到50 lm/ W ,而到2010 年至2015 年,随着关键技术的突破,白光LED的光效有可能达到150～200 lm/ W ,大大超过了现在所有照明光源的光效,在照明方面有着诱人的应用前景。

　　4.5 　发光体接近点光源

　　LED的发光体芯片尺寸很小,在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源,这样能给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝,有一定的长度,荧光灯管的尺寸更大,这些照明光源都不能看成点光源,在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型,处理起来有一定的难度。而点光源的光源辐射模型是最简单的,这有利于LED的灯具设计。

　　4.6 　可以做成薄型灯具

　　传统的照明光源向空间的几乎每一个方向发光,在设计照明灯具时,为了提高光线的利用效率,通常要用曲面反射器来收集光线,使之向所需要的方向照射。由于反射器距离光源有一定的距离,反射器的曲面又有一定的曲率,因此整个灯具就有一定的厚度。而LED发光的方向性很强,很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折,而不需要使用反射器,这样设计的灯具厚度较小,可以做成薄型美观的灯具,尤其适合于没有太多灯具安装空间的场合应用。

　　5 　LED在照明中的应用和展望

　　LED的技术水平与几十年前相比已经有了长足的进步,目前已在一些领域特别是信号显示领域中取代传统的白炽灯光源。在我国,LED应用较多的一个领域是交通信号灯,以前一只信号灯是用一只100 W的灯泡,而用LED,一只信号灯耗电才10W多一点,其节能效果非常明显。同时,LED信号灯具还有免维护、薄型、灯具材料选择面广等特点。另外,LED也可以应用在道路交通标志、铁路信号灯、建筑物航空障碍灯、航标灯、汽车信号灯、仪表背光照明,以及建筑灯光装饰等方面。随着新的应用领域的不断开发,LED光源正受到人们越来越多的关注。

　　随着人类文明的进步,人们对照明的要求不再是一味地追求明亮。目前世界上许多国家都重视照明中的环保问题。照明的能量主要来源于由电能转换的光能,而电能又来自于石化燃料的燃烧,地球上的煤、天然气、石油等石化燃料的储量是有限的,随着人类的不断开采,其储量日益减少,世界能源状况不容乐观。采用节能高效的光源,能达到节省电力,保护能源的目的,而节电对于环境保护意义重大。现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞,光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED是一种符合绿色照明要求的光源,将在绿色照明工程中扮演越来越重要的角色。

　　目前LED广泛应用于照明领域的最大障碍在于成本问题。普通照明要用白光LED,由于目前白光LED的光效还不够高,功率还不够大,价格也比较贵,限制了其在照明领域的应用。普通照明量大面广,传统的荧光灯和HID 灯已经在这个领域建立了统治地位,得到广泛的应用,这里价格是一个重要因素。我们可以来比较一下荧光灯和白光LED产生1 000 lm 的光所需要的价格。普通40 W 荧光灯的光通量约为3 000 lm ,灯管和电器附件的价格约为10 元,因此产生1 000 lm 的光只需几元钱。而一只20 mA 的白光LED的光通量约为2 lm ,价格为8元,产生1 000 lm 的光需要500 只LED , 价格为4 000元,这个价格是采用荧光灯的1 000 倍。目前LED用于普通照明大致有两种情况。一是对光通量要求不高,以局部照明和装饰作用为主,但追求新潮的场合,如某些别墅中的庭院灯;二是在档次高,价格贵的商品中应用,如某些飞机的乘客阅读灯。白光L ED 要能够作为普通照明光源而广泛应用,其发展目标是单只的输入功率达到10 W ,发光效率达到100 lm/ W ,输出光通量达到1 000 lm ,并且价格比较适当。而实现这样的目标,并不是十分遥远的事情,表2 给出了一些统计和预测的结果。

　　此外,就光源自身的发光特性而言,LED与白炽灯、荧光灯各有优势。通常,LED的发光角度小,方向性强,因此,当需要进行局部重点照明时,LED是一个很好的选择,适用于小区域照明应用。而若要照亮某个房间,或者较大的区域时,要求灯具的光分布角度较大,白炽灯或荧光灯的自身发光角度大,灯具引起的光通损失小,效果也好。因此,如今,国外有很多厂家用白色LED制成小的阅读灯、聚光灯等小型灯具,应用于飞机、汽车及室内装饰照明中。

　　由此可见,LED是一种很有前途的照明光源,虽然目前受到技术水平和价格的限制,尚无法在照明领域中与传统的光源抗衡,但是其发展的潜力十分巨大。随着技术的进步,LED必将在照明领域中充分发挥其节能高效的特点,从而获得越来越广泛的应用。

编辑：Cedar