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照明原理
LED光源的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-V特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光。
假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以光僅在靠近PN結面數μm以內產生。
理論和實踐證明,光的峰值波長λ與發光區域的半導體材料帶隙Eg有關,即 λ≈1240/Eg(mm)
式中Eg的單位為電子伏特(eV)。若能產生可見光(波長在380nm紫光~780nm紅光),半導體材料的Eg應在3.26~1.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍。
LED驅動電源壽數偏低的一個重要原因是驅動電源所需的鋁電解電容的壽數缺乏,首要原因是長時間作業時LED燈內部的環境溫度很高,致使鋁電解電容的電解液很快被耗干,壽數大為縮短,通常只能作業5千小時左右。而LED光源的壽數是5萬小時,因而鋁電解電容的作業壽數就成為了LED驅動電源壽數的短肋。
(一)節約能源:LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,其發光效率可達80―90%。筆者還將LED燈與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈做了一番比較,結果顯示:普通白熾燈的光效為12lm/w,壽命小于2000小時,螺旋節能燈的光效為60lm/w,壽命小于8000小時,T5熒光燈則為96Alm/w,壽命大約為10000小時,而直徑為5毫米的白光LED為20―28lm/w,壽命可大于100000小時。有人還預測,未來的LED壽命上限將無窮大。
響應速度快:LED的響應頻率fτ與注入少數載流子的壽命τmc有關,如GaAs材料制成的LED,其τmc一般在1―10ns 范圍內,則響應頻率約為16―160MHz,這樣高的響應頻率對于顯示6.5MHz的視頻信號來說已經足夠了,這也是實現視頻 LED大屏幕的關鍵因素之一。
LED響應時間低的已達1微秒,一般的多為幾個毫秒,約為普通光源響應時間的1/100。因此可用于很多高頻環境,如汽車剎車燈或狀態燈,可以縮短車后車輛的剎車時間,從而提高安全性。
線性驅動應用是一種為簡單和為直接的驅動應用方式。在照明級白光LED應用中,雖然存在著效率低、調節性差等問題,但是由于其電路簡單、體積小巧,能滿足一些特定的場合應用較多。
開關型驅動可以獲得良好的電流控制精度和較高的總體效率,應用方式主要分為降壓式和升壓式兩大類。降壓式開關驅動是針對電源電壓LED的端電壓或者是多個LED采用并聯驅動情況下的應用。升壓式開關驅動是針對電源電壓低于LED的端電壓或者是多個LED采用串聯驅動情況下的應用。
一般認為,隔離型驅動安全但效率較低,非隔離型驅動效率較高,應按實際使用的要求來選。
設計一般的基本LED驅動器照明應用相對較簡單,但是如果還需要其它功能如相位控制調光和功率因子校正(PFC),設計就變得復雜。無功率因子校正功能的非調光LED驅動器通常包含一個離線式開關電源,用于恒定電流下調節輸出。
LED驅動器的后端架構包含一個具有短路保護功能的電流調節電路。可以利用線性調節電路達到這一目的,然而這種方法本身效率低下,因此適用低輸出電流,通常不會應用到多級架構中去。替代方法是使用簡單的、具有電流回饋功能的降壓穩壓器電路,以便限制了輸出電流超過期望的LED驅動電流。其抵消了總LED正向電壓隨溫度和器件容差的變化,還限制了出現短路或其它故障條件時的電流,從而能夠保護驅動器免遭損壞。
廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市景觀照明等領域。世界上一些經濟發達國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術競賽。美國從2000年起投資5億美元實施“國家半導體照明計劃”,歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下,2003年6月份提出發展半導體照明計劃。 多年來,LED照明以其節能、環保的優勢,已受到國家和各級的重視,各地紛紛出臺相關政策和舉措加快LED燈具的發展;大眾消費者也對這種環保新型的照明產品渴求已久。但是,由于投入在技術和推廣上的成本居高不下,使得令萬千消費者翹首以待的LED照明產品一直可望而不可及,遲遲未能揭開其神秘的面紗!