照明硬件基础知识—— LED灯（半导体光源）工作原理及关键参数

Posted 2022-02-08 三明治开发社区

随着人类不断的探索和发明，20世纪初人类进入电子信息时代，这一切都要归功于一种材料–半导体，半导体是指在常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，比如硅。在利用半导体的过程中，科学家们发现通电的半导体也能发光，科学家们利用这一特性，发明了发光二极管。最早的LED只能发红光和绿光，无法用于照明，直到1993年，日本科学家赤崎勇团队发明了蓝色LED，红绿蓝三基色集齐，这使LED产生白光用于照明称为可能。

​ LED灯说到底还是二极管，它的发光原理依旧离不了PN结，在通电的条件下，N型半导体内的电子与P型半导体内的空穴在发生剧烈地碰撞复合时产生光子。不同的PN材料会产生不同颜色的光，常见的如砷化镓（GaAs）发红光、磷化镓（GaP）发绿光、氮化镓（GaN）发绿光。除了白色LED外，常见的红绿蓝颜色的LED都是可以直接发出对应颜色的光。白色LED内部还有荧光粉，可以通过蓝光或紫光来激发黄色荧光粉后得到白光，当然也可以通过三基色的LED组合得到白光。

​ 由于单纯的LED芯片体积小且脆弱，不方便直接使用，目前常见的LED灯珠会根据不同的应用场景搭配光学结构、电极、散热结构以及四周用树脂密封。为了更好的应用LED，还需要了解一下LED的各种参数。

​ １）LED的光学参数

​ a) 光通量

​ 人眼对不同波长光的视觉灵敏度不同，所以不能单纯的使用光源辐射的能量来衡量人眼感知的光亮效果，而必须使用人眼对光的相 对感觉量即光通量来衡量。光源的光通量越大，人眼感觉越明亮。光通量的定义为单位时间内，波长在380-780nm之间的可见光范围 的光源辐射出来的总能量，单位为流明（lm）。

​ b) 发光效率

​ 发光效率指的是光源发出的光通量除以输入它的总功率的值，单位为流明/瓦（lm/W）。这是衡量光源节能性能的重要指标之一。

​ c) 发光强度

​ 发光强度（I）指的是点光源在给定方向单位球面角度内发射的光通量，单位为坎德拉（cd）。很大LED使用的是圆柱形、半球形 封装，具有凸透镜的作用，有很强的指向性，即位于法向量的发光强度最强，偏离法向量不同角度时，发光强度也会相应有所改变。

​ d）照度

​ 照度（E）是指单位面积上的光通量，单位为勒克斯（Lx），即流明／平方米，照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。

​ e）峰值发光波长及光谱分布

​ LED灯发出的光不是单一波长的波。由于LED使用的材料和结构种类的不同，有的LED波长分布对称，有的不对称。下图是目前市面上一款LED灯珠的光谱分布图。虽然不同的LED光谱分布曲线不同，但是都有一个相对最大的发光强度最大处，该发光强度峰值对于的波长称 之为峰值发光波长。

​ f) 发光亮度

​ 发光亮度（L）是指给定方向上发光体表面单位投影面积的发光强度，单位为坎德拉/平方米。

​ g)寿命

​ LED的光输出会随着工作时间而衰减，一般情况为刚开始时衰减较快，后面减慢。通常把光输出衰减到初始值的一定比例值所经历的时间称之为LED的寿命，单位为h。

​ ２）LED的光电特性

​ 下图是目前市面上一款LED灯珠LED灯珠的光电特性。从图中可以看出，LED的发光亮度L与正向电流近似成正比。由上述LED的光电参数可知，发光亮度与光通量成正比，所以这意味着控制LED灯的正向电流大小既可控制光输出，这是我们应用LED灯非常重要的一点。

​ ３）LED的伏安特性

​ LED虽然是发光器件，但其核心还是PN结，有着跟普通二极管一样的伏安特性曲线，同样具备单向导电性和非线性特性。由LED伏安特性曲线可知，LED灯的导通存在门限电压，只有LED两端的电压大于开启电压值时，LED导通。同时我们知道电压微小的变化会引起电流较大的变化，而LED的光输出与正向电流基本成正比，所以在实际应用中，一般会倾向于采用恒流源驱动LED。

​ ４）LED的热特性

​ 当电作用与LED的PN结上时，一部分电能被转化为了光能，另一部分被转化为了热能。LED的热能并不会像白炽灯一样，会通过光向外辐射，所以LED就要一个散热的通道，否则热能集聚会在PN结上会导致LED无法正常工作。LED的结温是我们需要关注的重要指标。结温的计算公式为$T_J＝T_A＋R_J＊P$ ，其中$T_A$为环境温度，$R_J$为LED灯的热阻，P为LED消耗的功耗 。研究表明结温升高会直接减少光子的射出，会降低光效；其次结温升高还会导致LED射出的光线红移，影响LED色温质量；还会加剧LED芯片是老化衰减，影响使用寿命，甚至直接导致LED损坏。所以LED的产品说明手册中都会给出最大允许结温和工作范围，方便设计人员在设计LED相关电路时进行参考，保证LED工作温度不会超过LED的最高结温。