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发光二极管和半导体照明应用分析

摘要：针对近年来国内外非常重视照明用发光二极管(LED)的研制与开发，简要介绍了发光二极管的发展现状及其特点，并讨论了研发照明用LED所需要解决的一些技术关键问题，指出这类照明系统将获得广泛应用。
关键词：发光二极管；半导体照明；讨论
发光二极管发展现状
发光二极管通常也叫光发射二极管(LightEmitting Diode，简写为LED)是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。LED在20世纪60年代初期问世，当时的LED以红色为主，发光效率很低，光通量很小，只能作指示灯和仪表显示器使用。随着管芯材料、结构和封装技术的不断进步，LED颜色品种增多，光效大幅度提高，目前的红色LED光效已可以到100lm/W，绿色LED也可达到 50lm/W，单个LED的光通量可达到几十流明。尤其是近年来高光效、高亮度的白光LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。
自爱迪生发明白炽灯以来的100多年中，电光源照明经历了三个重要发展阶段，这三个阶段中的代表性光源分别为白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯。现在人们普遍认为 LED将可望发展成第四代光源，即半导体照明。
1、半导体发光二极管的特点
LED是半导体器件通过PN结实现电光转换。其特点为：
1.1 节能、不引起环境污染
LED的能耗较小，随着技术的进步，将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的光效已经达到25lm/W，超过了普通白炽灯的水平，且有人按现在 LED的技术发展速度预测，到2005年，白光LED的光效可以达到50lm/W，而到2010—2015年，白光LED的光效有可能达到 150～200lm/W，远远超过了现在所有照明光源的光效。此外，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，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED则没有这些问题，是一种“清洁”的光源。
1.2 寿命长
一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过1万h，而LED的使用寿命可长达数万h。
1.3 结构牢固
LED是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，是一种全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。
除此之外，LED作为照明用光源还有一些难能可贵的优点，例如：发光体接近点光源，便于灯具设计；发光响应时间短；易于做成薄型灯具，节省安装空间等等。
综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品 (电光源、灯用电器附件、灯具、配线材料，以及调光控制设备和控光器件)，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。
2、研发照明用LED的技术关键
LED照明目前还只能用于一些特殊场合。广泛使用的照明光源应该是白光LED，而目前国内外已研制成的白光LED光效还不够高，功率也不够大，价格较贵。如果要求全面取代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯，尚有一些技术上的难题需研究解决。
(1)首先是发光效率问题。提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制造工艺。由于这部分工作需要扎实的理论研究基础和先进的半导体工艺设备，开展这方面研究工作不太容易。
(2)高功率问题。作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。但LED芯片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。现在国外一些著名公司已设计研制了一些特殊的LED器件结构，并已获得了较好的效果。
(3)由于通常的LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件。例如，用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后，用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足各种照明灯标准要求的光分布。这就要求对LED照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。
(4)由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。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的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。
(5)此外，由于多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。而在使用过程中只要有一个LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。
(6)鉴于LED对散热条件的要求较高，如果管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。因此，除使用时要有足够的散热措施外、还必须有合理的电路设计和电路布局，尽量使LED保持良好的工作状态，充分发挥它的长寿命优点。
3、结束语
尽管发展发光二极管照明系统目前尚存在一系列技术关键问题需要解决，但随着发光二极管管芯光效的迅速提高，发光二极管的封装与灯具制造工艺的进一步改进，一些经济上和技术的障碍将逐步消除。相信在不久的将来，这类照明系统能在很多领域获得广泛应用。

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