LED的应用技术(初稿整合).doc

LED的应用技术一、 LED的基本信息、十大品牌、发展历程二、 LED的分类、色彩、工艺三、 LED技术优势评述，关键技术指标四、 LED的优点及应用五、 LED的发光原理及调光控制六、 LED的世界之最七、 LED产业目前面临的一些问题八、 LED未来的发展方向一、 LED的基本信息、十大品牌、发展历程1、LED的定义：Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。2、名牌LED液晶电视：来自和的排名十大LED液晶电视品牌榜中榜No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6No.7No.8No.9No.103、LED发展史 (1)、1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。两次因发光暗淡而停止。 （2）、1936年,George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。（3）、第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光。 60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。 （4）、到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。LED采用双层磷化镓蕊片能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。70年代末，它能发出纯绿色的光。（5）、80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金钢砂早期的半导体光源的障碍物。（6）、90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。我国发展LED起步于七十年代，产业出现于八十年代。二、 LED的分类、色彩、工艺1、分类按颜色基色可以分为 单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。 双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显 示一千六百多万种色。 按显示器件分类 LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。 LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 LED视频显示屏：显示器件是由许多发光二极管组成，可以显示视频、动画等各种视频文件。 按使用场合分类 室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，显示面积一般几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 按发光点直径及间距分类 室内屏（按直径分）：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏（按间距分）：PH10、PH12、PH14、PH16、PH20、PH25、PH31.25、PH37.5. 2、色彩制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。GaAs0.6P0.4 的红光 LED，GaAs0.35P0.65 的橙光LED，GaAs0.14P0.86 的黄光 LED由于制造采用了镓、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN（氮化镓）的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。3、工艺三、 LED技术优势评述，关键技术指标1、LED技术优势评述LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如： 体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。 耗电量低LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 使用寿命长有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 高亮度、低热量LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。 环保LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源 坚固耐用LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。 LED灯多变幻LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 技术先进与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。2、LED重要技术参数正向工作电流If： 它是指发光二极体正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6IFm以下。 正向工作电压VF： 参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极体正向工作电压VF在1.43V。在外界温度升高时，VF将下降。 V-I特性： 发光二极体的电压与电流的关系，在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。 发光强度IV： 发光二极体的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用烛光(坎德拉, mcd)作单位。 LED的发光角度： -90- +90 光谱半宽度: 它表示发光管的光谱纯度。 半值角1/2和视角： 1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。 全形： 根据LED发光立体角换算出的角度，也叫平面角。 视角： 指LED发光的最大角度，根据视角不同，应用也不同，也叫光强角。 半形： 法向0与最大发光强度值/2之间的夹角。严格上来说，是最大发光强度值与最大发光强度值/2所对应的夹角。LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0的光强值，引入偏差角，指得是最大发光强度对应的角度与法向0之间的夹角。 最大正向直流电流IFm： 允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极体。 最大反向电压VRm： 所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极体可能被击穿损坏。 工作环境topm: 发光二极体可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极体将不能正常工作，效率大大降低。允许功耗Pm: 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。四、 LED的优点及应用能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。 由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的19；英国布赖恩?爱德华兹在其编写的可持续性建筑中指出，在英国消耗的全部能源当中，大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的1550；在我国照明用电约占全国总用电量的12，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为5。从上面的数据我们可以看出，虽然因各国经济发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。 新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具 有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。LED，特别是白色光 LED，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。 鉴于LED 的自身优势, 目前主要应用于以下几大方面: (1) 显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点, 广泛应用于各种室内、户外显示屏, 分为全色、三色和单色显示屏, 全国共有100 多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED, 因为采用LED 信号灯既节能, 可靠性又高, 所以在全国范围内, 交通信号灯正在逐步更新换代, 而且推广速度快, 市场需求量很大, 是个很好的市场机会; (2) 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短, 需要经常更换。1987年, 我国开始在汽车上安装高位刹车灯。由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车, 减少汽车追尾事故, 在发达国家, 使用LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件, 美国HP 公司在1996年推出的LED 汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外, 在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源, 都可用超高亮度发光灯来担当, 所以均在逐步采用LED 显示。我国汽车工业正处于大发展时期, 是推广超高亮度LED 的极好时机。近几年内会形成年产10 亿元的产值, 5 年内会形成每年30 亿元的产值。 (3) LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目,LED 作为LCD 背光源应用, 具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点, 已广泛应用于电子手表、手机、BP 机、电子计算器和刷卡机上, 随着便携电子产品日趋小型化, LED 背光源更具优势,因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED 是手机关键器件, 一部普通手机或小灵通约需使用10 只LED 器件, 而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20 只LED 器件。现阶段手机背光源用量非常大, 一年要用35 亿只LED 芯片。目前我国手机生产量很大, 而且大部分LED 背光源还是进口的, 对于国产LED 产品来说,这是个极好的市场机会。 (4)LED 照明光源早期的产品发光效率低, 光强一般只能达到几个到几十个mcd, 适用在室内场合, 在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED 光源替代白炽灯和荧光灯, 这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。日本为节约能源, 正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为 照亮日本) , 头五年的预算为50 亿日元,如果LED 替代半数的白炽灯和荧光灯, 每年可节约相当于60 亿升原油的能源, 相当于五个1.35 106kW 核电站的发电量, 并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生, 改善人们生活居住的环境。我国也于2004 年投资50 亿大力发展节能环保的半导体照明计划4。 (5) 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋, 走路时内置的LED 会闪烁发光, 仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管; 利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯, 据国内正在投产的制造商介绍, 该公司已有少量保健牙刷上市, 预计批量生产时每年需要3 亿只发光灯; 正在流行的LED 圣诞灯,由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性, 近期在香港等东南亚地区销势强劲, 受到人们普遍的欢迎, 正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场五、 LED的发光原理及调光控制发光原理：发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管,见图1（b）。在LED 的p-n 结附近,n 型材料中多数载流子是电子,p 型材料中多数载流子是空穴。p-n 结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,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h(h 为普朗克常数,为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev) ,其与发光波长(nm) 的关系为= 1239.6/Eg。因此,只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED （a） （b）图1 发光二极管及其原理图下面重点介绍下红外发光二级管（LED）的工作原理：红外发光二级管（LED）是利用砷化镓晶体的Pn结发射红外光的。在没有把电压加到PN结上时，PN结处于热平衡状态，如图2（a）所示，P层的费米能级与N层的费米能级匹配，势垒高度为VD。当把正向电压V加到PN结上时，势垒高度降到VD-V（见图2（b），空穴和电子分别向N层和P层注射，结果使两层的截流子浓度都比热平衡时高。同时截流子复合前后出现的能量差以红外光的形式发射出来。（a）热平衡状态（b）加正向电压时图2 PN能带模型LED调光控制：传统上，LED的调光是利用一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。许多应用（例如汽车和LCD TV背光照明）都不能允许LED发生任何的色彩漂移。在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。 人们常说的真正彩色（True Color）PWM调光是利用一个PWM信号来调节LED的亮度。 调节LED亮度有三种常用方法： （1）使用SET电阻，在LED驱动控制IC引脚RSET两端并联不同的转换电阻，使用一个直流电压设置LED驱动控制IC引脚RSET的电流，从而改变LED的正向工作电流，达到调节ALED发光亮度的目的。 （2）采用PWM技术，(波宽控制调光（Pulse Width Modulation，简称PWM）)利用PWM控制信号，通过控制LED的正向工作电流的占空比来调节ALED的发光亮度。 （3）线性调节 线性LED调光控制方法就是采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节LED的正向工作电流来实现LED的调光控制，调光控制范围可达10：1。 如果要进一步降低LED的正向工作电流则会产生LED发光颜色发生变化和不能准确调节控制LED的正向工作电流的问题。六、 LED的世界之最1、60年国庆世界之最的LED显示屏 两组显示屏分别长50米，高7.5米，采用点间距16毫米的全彩色LED像素，整屏分辨率3072320点，远程同步控制，高清数字显示，其横向3072点像素是迄今为止世界上广场LED显示屏之最1、 水立方LED之世界之最LED景观照明，世界之最水立方艺术灯光景观是全球标志性的景观灯光项目，使用四十多万支LED，构成世界上最大的LED艺术灯光工程!该项目获得科技部863重大专项支持，由上海广茂达艺术灯光景观工程公司负责系统设计，研发，生产，安装和调试。2、 LED的最大秀场上海世博会是LED最大的秀场：2010年的上海世博会将成为全球有史以来最大的LED秀场，世博中心泛光照明、大型通透式显示屏、世博主题馆条形显示屏世博园内的LED灯具使用量约68万套，占整个世博园景观照明灯具的六成以上。上海世博会主题馆内布置了7块大型条状LED全彩显示屏，参观者无论在主题馆大厅的哪个角落，都能清楚地看到显示屏上的文字和图像。世博园区内的方向指引牌及地下标识灯等均由LED照明系统组成。世博中心外立面泛光照明采用了创新的系统控制和配光方式，采用隐藏式结构的LED泛光照明灯具，可连续调节灯的白光色温和亮度，配合不同活动制造出各种视觉效果。而世博中心的400平米超大LED显示屏，则采取了人性化的镂空和通透设计。世博夜景整个园区流光溢彩80%以上夜景照明采用LED,处处体现节能、低碳的理念，成为全球屈指可数的LED集中示范区。3、 太阳能LED灯具世界最大生产基地深圳已经是太阳能LED灯具全球最大的生产地，也是LED背光源全球主要供应基地。七、 LED产业目前面临的一些问题技术研发人才缺乏、产业集聚度较小、龙头企业不够突出、缺乏产品规范体系，存在恶性竞争、缺少检测认证平台等问题。八、 LED未来的发展方向LED 草坪灯、交通信号灯、手电筒、地板灯、景观灯、水下灯、地埋灯等产品不断进入市场,使得市场对于LED 特别是高亮度LED 的需求不断扩大。高亮度LED 市场进入快速发展时期。在未来5 年中,LED 作为下一代新型照明光源将继续进入如汽车、大尺寸LCD 背光源、室内、室外照明等广泛的行业中,LED 应用将变得更加普遍。且LED 作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也将呈现出逐年递增的趋势。当今, 照明消耗约占整个电力消耗的五分之一,降低照明用电是节省能源的重要途径,为实现这一目标业内人士已研究开发出许多节能照明器具, 并达到了一定的成效,但距离“绿色照明”的要求还远远不够。LED发展历史已经几十年,但在照明领域的应用还是新技术。2008年北京奥运会给LED打了一针兴奋剂,开幕式上的“梦幻长卷”被展示在4500多平方米、堪称全世界最大的单体全彩LED显示屏上, 当由45000颗LED编排而成的“梦幻五环”升空时,国人对LED的热情达到了一个新的高点。随着LED技术的迅猛发展,其发光效率的逐步提高,LED的应用市场将更加广泛,特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,LED在照明市场的前景更备受全球瞩目。 LED显示屏也随着超大规模集成电路（VLSI)的发展而日趋完善，EPLD、DSP以及FPGA已经得到广泛应用，一些厂商正在研发专用的LED控制集成电路。LED显示屏与LCD、PDP等同类平板显示屏产品比较，由于LED产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小以及价格低廉等优势，因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力，其市场前景十分广阔。 所以企业会在超高亮度和全彩色技术方面重点投资。我国(包括台湾和香港) 将成为世界上LED的主要产地,预计占世界总量的六成以上。其中超高亮度LED会有30 %的速度增长。 由于许多色别的LED的光强目前均达到烛光级水平,相信随着器件结构的改进,发光效率的飞速提高,今后LED发展的主流将是照明光源,LED有可能成为21 世纪的主体照明光源。世界光电电子产业的发展推动LED 应用领域的变化发展。随着产业的扩大,会有更多的资金投向LED的研究和生产,现有超高亮度,兰色和绿色LED的技术垄断局面将会被打破,从而使产品成本大幅度下降,促进市场的再开发,应用的再拓展。参考文献：1 武毅. 绿色光源LEDJ .灯与照明. 2005 , 30 (2) :45482 王占庆,石瑞林. 发光二极管(LED) 将引发照明领域的革命J .灯与照明, 2005 ,29 (3) :4851.