LED原理及其照明应用

摘要：LED是21世纪令人瞩目的光源。被誉为将超越传统光源的第4代照明光源。应用前景十分广阔。文章研究LED光源的发光原理、特点，阐述LED的在装饰、汽车等领域的应用现状，LED技术未来的发展趋势。

关键词：LED光源；发光二极管；原理；应用；展望

人类照明发展过程中，先后经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明三个阶段。LED(发光二极管)是照明家族的新成员，目前正处于蓬勃发展阶段，国际权威机构称为第四代新光源。

LED光源在照明领域的应用，是半导体材料发光技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是照明领域在上世纪80年代末提出的新概念，实现这一目标，就是要发展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。

一、LED基本原理

LED(Light Emitting Diode)，又称发光二极管，主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，微小的半导体芯片被封装在洁净的环氧树脂物中。PN结芯片是由p型和n型半导体组成的，见图1。

p型半导体中多数载流子是空穴，n型半导体中多数载流子是电子，二者紧密结合，形成p-n结。未加电压，p-n结也存在一定的势垒，当加正向偏压时，p-n结处于导通状态。在外电场作用下，p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放出相对应的能量hv(h为普朗克常数，v为光子频率)而发光。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。当加反向偏压时，p-n结截止，少数载流子难以注入，故不发光。

发光的能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev)，与发光波长λ(nm)的关系为λ＝1239.6PEg。不同的半导体材料，带隙能量不同，因而发出光的波长也不同。LED的发光机理决定了单一芯片只能发出单色可见光，不可能发出连续光谱的白光。例如，GaAsP芯片发红色光，GaN芯片发蓝光，等等。

二、LED光源的基本特征：

1)发光效率高：LED光源属于一次光源，在发光过程中，电能直接变为了光能。经过几十年的技术改良，LED的发光效率有了较大的提升。达到50-200lm/w，而且光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。而白炽灯、卤钨灯光效为12-241m/w，荧光灯50-70lm/w，钠灯90-140lm/w，它们大部分的耗电变成热量损耗了。

2)环保：由于采用电致发光的原理，没有有害金属汞、钠污染问题，废物还可以回收，并且冷光源发热量较低。

3)安全、可靠性好：LED使用低压电源，比较适用于公共场合；它是用环氧树脂封装的，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，能经得起震动、冲击而不致损坏。

4)响应时间小、控制方式灵活：LED的响应时间为纳秒级，高频特性好，能够在高频条件下工作。LED控制方式灵活简便，可以集中控制，也可以分散控制或对点进行调节控制。还可以通过控制LED的电流调光，通过不同光色组合调色，达到多种动态变化效果。

5)节能：LED耗电量少，单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的万分之一，荧光灯管的二分之一。

6)使用寿命长：LED采用电子光场辐射发光，克服了灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。灯具平均寿命达10万小时。正常情况下，使用寿命可达5-10年，大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

三、LED照明光源技术的应用

DigiTimes近期发布的一份研究报告显示，由于LED电视兴起和LED照明技术的快速发展，全球LED产值保持每年25％以上的增长速度。

我国在国家“863”计划、电子发展基金、十大重点节能工程、高技术产业化示范工程、企业技术升级和结构调整专项支持下，半导体照明技术的研发和产业化取得可喜的进步，成为全球重要的LED封装基地。据不完全统计，已经有14个省、市明确建设半导体照明工业园，把LED产业作为本地区的新兴产业来发展。应用方面，近年来以30％以上的年增长率高速发展。

LED光源的应用领域主要有：

1.建筑物的装饰

LED在城市建筑、街道、商业中心、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明中得到了广泛的应用。LED发光灯具(管、带、幕墙灯等)多变的色彩，具有流动变幻的照明效果，完全可以替代传统的霓虹灯、镁氖发光管、彩色荧光灯。由于LED光源小而薄，安装便捷，可与建筑物表面完美地结合，形成夜晚的高楼大厦千姿百态的效果。

2.汽车照明

LED是新型的汽车光源，已成为钨丝灯，卤素灯的必然取代产品。大部分新出厂的汽车及大型交通工具都已开始使用LED当作方向指示灯、刹车灯和车内部应用，如，仪表板、阅读灯，汽车用照明是目前LED照明发展最快的应用市场。海拉作为汽车灯具领域的领先者，一直将车灯技术作为一个重要的研究课题，如今海拉已为新一代凯迪拉克凯雷德白金版成功开发出全LED前照灯，投入批量生产。

3.交通灯具

由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。

4.专用普通照明

如便携式照明(手电筒、头灯)、低照度照明(廊灯、门牌灯、庭用灯)、阅读照明(飞机、火车、汽车的阅读灯)、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯、路灯等。

5.安全照明

由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好。以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。如矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯。

四、前景及展望

1.LED在照明市场的前景备受全球瞩目。

半导体照明产业的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家对LED照明效益进行了预测，美国55％的白炽灯及55％的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100％的白炽灯换成LED，可减少1-2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。

全球初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业分布和竞争格局。这些国家和地区纷纷积极实施半导体照明发展计划，甚至将半导体照明产业上升至国家战略高度进行系统部署，如美国“半导体照明国家研究项目”、“固态照明(SSL)研究和发展计划”，欧洲“彩虹计划”，日本“21世纪照明”计划。根据美国固态照明LED发展路线图计划，LED照明将在2012年开始进入荧光灯照明市场，分别在2012年和2020年将大量取代白炽灯和荧光

灯。

2.照明应用中存在的主要技术问题。

近年来，LED的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，但是，在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题：一是光通量有待进一步提高。LED作为照明光源，必须能够发出更多的光，必须具有更高的能量效率。日本日亚(Nichia)和丰田合(Toyoda Gosei)、美国科锐(Cree)、飞利浦流明(Lumileds)等国际厂商代表了全球LED的最高水平，引领半导体照明产品产业的发展。目前，功率白光LED器件光效商业化水平最高为Cree的1321m/W。Cree在2010年2月宣布其实验室数据已达到2081m/W，这是一个具有里程碑意义的记录。二是LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。三是产品的一致性、可靠性有待提高。由于照明灯具需由多个LED单体组成，其参数离散性是一个重要的技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED单体的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED。此外由于照明灯具由多个LED组成，要考虑其散热问题，以免影响灯具的性能和寿命。四是价格较高。这是影响LED照明普及的主要原因。

五、结束语

在全球能源短缺的背景下，LED光源在照明市场的应用前景备受瞩目，随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，造价逐步降低，LED的应用市场将更加广泛，业界人士认为，在未来10年内将取代白炽灯、紧凑型节能灯和荧光灯，成为下一代的新型光源。作为半导体产品，LED是集固体物理、光电子、固体发光、有机化工、无机化工、光机电和热传导等多学科为一体的高科技产品，还需进一步的研究和探讨，认真解决LED光源在照明应用中存在的技术问题，开发出适用于不同场合和用途的照明系统。

参考文献：

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2.王声学、吴广宁、蒋伟、边珊珊、李生林LED原理及其照明应用[J]，灯与照明，2006，12(4)，32-34

3.吴淑梅、霍彦明，LED光源的应用及前景[J]，灯与照明，2008，9(3)，24-26

4.[日]大谷义彦著、夏晨译LED照明现状与未来展望[J]，中国照明电器，2007，(6)，20-24