关键词 LED 照明 发光效率 温升 寿命 恒电流驱动源
一、LED的发光原理LED（发光二极管），是一种能将电能转化为可见光的固态半导体器件，它是利用固态半导体芯片作为发光材料，当两端施加以正向电压，半导体材料的P—N结中电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，过剩的能量将以光的形式释出，达到发光的效果，把电能直接转换为光能，这就是LED发光的基本原理。
LED是一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯和HID（高强度放电灯，如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代光源。根据不同的应用需要，LED的芯片可通过多种封装方式，做成不同结构和外观的器件，生产出多种光色和多个系列、品种与规格的LED产品，广泛应用于城区街道、广场绿地、车站码头、乡村马路等的照明，以及景观装饰、交通信号、显示屏等各个领域。
二、LED的特点和优势LED照明具有以下一系列优点：（1）高效节能。
直流驱动，超低功耗（单管0.03～0.06W），转换效率最高可达到100lm/w；（2）长寿命。因LED属固态冷光源，环氧树脂封装，故无灯丝发光易烧、热沉积等缺点。工作电压低，使用寿命比传统光源的长5倍以上，即使是频繁的开关也不会影响LED的使用期限；（3）环保。冷光源，暖光小、无辐射、不含汞元素，使用中不产生有害物质；（4）LED发光的指向性强，亮度衰减比传统光源低很多；（5）LED的体积可做成非常小，便于各种设备的布置和设计；（6）造型独特、立意新颖、色彩鲜艳，白天是景，晚上是灯；（7）高新技术的应用。与传统光源相比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式控制等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点；（8）采用电脑数码灯光控制器，实现色彩和图案的多样变化，是一种可随意控制的“动态光源”。几十盏灯按要求变化，营造出跳动、闪烁、追逐的灯光动感画面，渲染出气势宏大、色彩缤纷的都市风景。
三、LED的光特性1、光谱特性：理论和实践证明，发光的波长和频率取决于选用半导体材料的能隙（band-energy）Eg，其公式如下：
Eg=h×v/q= h×c/(λq) （1）λ= h×c/(q×Eg)=1240/Eg(nm) （2）式中，λ—发光波长；V—电子运动速度；h—普朗克常数；q—载流子所带电荷；C—光速。
由于不同材料的能隙Eg不同，各种材料制成的LED可发出不同波长的光。LED发出的光不是纯单色光，而是以特定的波长发出红、绿、蓝等各种带域光（有色光）。LED的谱线宽度比其它光源所发出的谱线窄，例如砷化镓（GaAs）发光二极管的谱线宽度只有25nm，故可近似认为是单色光。几种不同颜色的LED通过合理混合后可得到比较纯正的其它色光。为实现用于照明的白光，当前制备白光LED有以下三种典型方法。
（1）光转换型：单芯片加荧光粉合成白光技术，是现在使用最广泛的方法。但存在能量损耗和光效率不高现象；（2）多色组合型：红、绿、蓝（RGB）多芯片组合白光技术。由于发光全部来自LED，不需要进行光谱转换，能量损耗小，效率最高。但供电系统和安装结构比较复杂，颜色空间分布不均匀，成本较高；（3）多量子阱型（MOCVA）：即在芯片发光层的生长过程中掺杂不同杂质生长出能产生互补色的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合发射白光。
几种技术相比而言，RGB型LED虽具有发光效率高、显色性好等优点，但三种芯片性能各异，使它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移，照明稳定性受到影响。
随着芯片和封装技术的不断进步，LED的光效已从以往的30lm/w提升到目前接近的80lm/w，而且还在不断提高，最高可达100lm/w，这为LED的照明应用推广创造了前提条件。
2、发光亮度特性 在正向导通之前，LED中几乎无电流流过，当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（cd/m2），与正向工作电流If近似成正比：
L=K×If×m （3）式中， K — 比例系数； 在小电流范围内， I f=1～10mA；m=1.3～1.5；当If＞10mA时，m=1，式（3）可简化为：
L=K×If （4）也即，LED发光亮度与电流成正比。使用时应根据所要求的显示亮度及具体的LED参数来选取合适的If值。这样，既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，就会烧毁LED的P—N结，因此，可在LED的工作电流范围内，通过调节流过LED的电流来调整LED的亮度。
综上所述，LED对比其它光源，除上述优点以外，还具有响应速度快、体积小的特点，非常适合于混光使用。
四、LED的照明特性1、LED的电压～电流特性LED与用于整流的二极管具有相同的特性。例如，由蓝色光子触发磷光剂等荧光物质发射白光的白色LED，其电压、电流特性如图1所示。正向电压Vf(电流上升时的电压)为3～3.5V左右，该电压值与发光的波长有着密切的关系，而与LED的规格大小和功率无关。即使是大功率的LED，其正向电压也是不变的，这点和原来的光源大不相同。另一方面，如施加正向电压以上的电压，流过的电流几乎无限制，一直到LED被烧损。这与荧光灯和HID灯之类的放电灯是类似的。因此，若在100V的电源下使用，应将多数（20～30）LED串联，还须附加一限流装置，以便保持照明的稳定。此外，在小功率LED中电流一般为20mA；大功率型LED中则为0.3～1.5A。
2、LED的点灯电路如前所述，LED上施加电压超过正向电压时，电流几乎无限制上升，若要保持在规定的电流值，必须装有限流装置（稳流器）。作为具体的手段是将阻抗元件等串联于LED。
LED直流点灯时，采用电阻器的方法最简单，但LED的功率消耗将要和电阻器的功耗叠加。LED采用交流点灯时，由交流整流后再进行直流点灯，此时，要将比电阻器功耗相对少的电抗元件接至交流侧则可点灯。但不管怎样，因功率消耗的叠加会导致综合的发光效率降低。
限制电流的阻抗值大小，取决于电源的稳定性。
如果电源电压变动少，即使阻抗小，电流的变化也少，电源电压与LED的点灯电压（正向电压）的差就能减小，其间的损耗也就减小。若电压变动大时，为抑制电流的变化就需要大的阻抗。此时，将阻抗Z接至电源，电源电压为V0的情况下，假定LED的电流为I0，则电源电压降低δV（%）时，LED电流的下降率δI（%）由下式确定：
δI=δV× （5）实际的点灯电路中，在电压稳定的同时，提高交流的频率减小电抗可降低损耗。而且，为了消除发光的闪烁等，采用了带变频器的点灯电路。LED的启动状态几乎与正常点灯时相同，故不需要考虑应对白炽灯启动时那样的过电流，以及放电灯那样的起动电压。
五、LED的能量效率与发热白色LED因其发光成分几乎不含红外放射（热线），作为点光源照明使用时，发向照射面的热量少，LED自身的热损耗少。但这样往往被误认为仅少量的发热，实际上有很大差异。散热问题是LED照明装置中的一个大课题。
市场上销售的，以蓝色光子触发磷光剂等黄色荧光物质的白光LED，其能量、效率（即光输出相对电输入的比例），对于发光效率50～60lm/w的小功率LED为20～25%；对发光效率80～90lm/w的大功率LED则为25～30%（这些参数是参照荧光灯可见光能量为电输入能量的25%左右确定的）。由此可知，发光以外，70%以上的能量差不多最终都被转化成热量。
半导体LED的发光效率与寿命，均随温度的升高而降低。如何处理散热是安装上一个急待解决的课题。
对多个LED紧密连接、配置模块等，均存在相当的高温场合，必须采取装散热风扇等冷却措施，也就是强制空冷的方式。另一方面，作为照明装置还有改 进设计的问题。今后，有关LED元件进入高功率化以后，如何由效率提高导致发热的减少，以及如何改善散热的方式，均是研制开发中面对的重大课题。
六、LED的寿命照明用LED的寿命被定义为：额定输入（电流）点灯时的光通量达到初始值的70%的点灯时间。该寿命值（总计的小时数）与直管型荧光灯的相同或超过它，但这是一个估定值，持续数万小时的实测数据迄今尚未见诸报导。
决定LED类半导体寿命的主要因素是温度，若仅考虑半导体，可以预测其温度保持在常温下，它有半永久的寿命。但在白色LED场合，在受温度影响的同时还必须额外考虑到，由荧光物质激励引起的光劣化；封装内树脂造成的光劣化；以及密封问题导致的潮湿影响等温度以外的因素。仍然按估定值推定的数值是不准确的。对小功率LED，稍微保守的数据为7000h左右；对大功率型LED，其热阻抗比小功率LED的小，散热好，约为10000h。此外，考虑照明装置的寿命时，除光源部分的LED以外，点灯电路及反射器等的优劣也应予以考虑。
应用中存在的问题：
虽然LED照明的应用领域在不断扩大，但在照明普及应用方面尚存在以下问题。
（1）光通量不足。LED的光效与HID灯相比仍有较大差距，采用LED作为照明光源，必须发出更多的光束和具有更高的能量转换效率。
（2）LED发出的光与自然光仍有不同。白炽灯具有非常强的黄色光成分，给人一种温暖的感觉。而白色LED发出的白光带有蓝色光成分，在这种光照下，人们的视觉不很自然。
（3）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课题。应通过预选、分类尽量保证产品的一致性。
（4）设计合理的灯具结构（LED单体的排列和位置布局），防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED。
（5）应限制LED单体的使用数量，但存在最大承受电流值及电压值的问题。
（6）研究合适的驱动电路。通常采用恒流源驱动，虽然不怕负载短路，但务必禁止负载全开路。因采用直流驱动供电，在灯具内必须安装将AC变为DC的变换电路，故实际使用中，恒流驱动电源有寿命短、效率低、成本高等缺点。
据中国质量报报导，最近，由陕西西电科大华成电子公司研制的交流电源直接供电LED照明，就是基于解决上述问题的创新产品，它采用串联LED分散控制的方法，使功率因数、电磁兼容（EMC）等技术达到国际LED标准。很好地解决了半导体照明灯具中驱动电路对灯具效率、寿命、成本和大规模推广的制约瓶颈。经检测，该产品的驱动电源寿命与LED光源寿命相匹配，同步达到5万h以上。同时，驱动电路转换效率达到95%，高于现有LED驱动器85%的效率，且成本低廉。由于该驱动电源不需用变压器等部件，使该驱动电源成本是同功率开关电源成本的20%。
参考文献：
中川靖夫，LED照明の最新技术と课题，（日）《省ェネルギ—》Vol.61 2009.10 P18—22森 明，LED照明の普及状况と将来展望，（日）《省ェネルギ—》Vol.61 2009.10 P25-26朱继红，LED在景观照明中的基本混光方式，《国际照明与灯饰》 2009.No10 P93-94吴淑梅，霍彦明，《LED光源的应用及前景》，《灯与照明》 Vol.32，2008.No3 P25路秋生，LED照明与应用，《灯与照明》 2009.
No4 P26国内首个交流直接供电LED照明问世，《中国质量报》 2010.1.14