LED的应用探究毕业论文.doc

LED的应用探究 【摘 要】节能环保是当今社会发展的热点，各种节能措施和技术不断涌出。本文详细介绍了LED技术的发光和节能基本原理，并阐述其在日常生产生活中的实际应用，展望了未来LED的发展。【关键词】LED；节能；调光技术；散热；应用引言节能、环保、减排是当今社会发展的热点问题。这里所要讲述的是节能领域中一种新的产品发光二极管（LightEmitting Diode，简称写为LEDn）。与普通的白炽灯、日光灯相比，要达到相同的照明效果或亮度，其能耗只有后者的1/10，而寿命确能达到后者的10倍。在能源供应日趋紧张的今天具有十分重要的意义。我国目前照明消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，若是其中之1/3 的白炽灯被LED代替，则每年可节约用电度，这相当于三峡电站一年的发电量1。而在美国若其白炽灯中的50%用LED代替，则每年可以节约350亿美元，减少7.5亿吨二氧化碳的排放。因此LED被誉为21世纪最具竞争力的固体光源。1.LED简介LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。1.1LED的工作原理简单地说在一块本征半导体的两边通过不同的掺杂分别做成P型和N型半导体。P型半导体中空穴为多数载流子，N型半导体中电子为多数载流子。由于浓度差，这两种载流子会自发向对方区域扩散。因为空穴带正电，电子带负电，所以两种载流子会在交界面复合，从而在交界面两侧形成一个空间电荷区，其电场方向由N指向P，这就是PN节。这个内电场的形成阻碍了多数载流子的扩散运动，因此一定温度下PN节的尺度是确定的(见图1)。当PN节外加正向电压时（P型半导体接电源正极，N型半导体接电源负极），外电场与内电场作用，总的效果是削弱内电场，从而空穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时高能态的电子与空穴复合时就把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转化成光能（见图2）。当然在发光二极管的PN节上加反向电压（P型半导体接电源负极，N型半导体接电源正极），由于内电场被加强，所以进一步阻止了多数载流子的扩散运动，电路不能导通就不能发光。值得注意的是，不是所有的半导体材料都能用来做成发光二极管的，目前用得较多的是GaP(磷化稼)，GaAsP(磷砷化稼)等。通常的LED结构2(见图3)。图1图3 LED结构示意图图2 PN节的能量转化2.LED应用技术2.1LED的调光技术在全球能源危机和环保节能的背景下，LED作为绿色节能的先锋备受世人瞩目。从2010年开始，由于LED背光电视的爆发式增长,应用在背光源LED上的LED驱动IC已经成为增长最快的应用市场之一,伴随着LED在LED显示屏、汽车照明和通用照明的应用等，LED驱动器的调光技术显得特别关键。（1）PWM调光LED是一个二极管，它可以实现快速开关。它的开关速度可以高达微秒以上。是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。图4表示这种脉宽调制的波形。假如脉冲的周期为，脉冲宽度为，那么其工作比D（或称为孔度比）就是。改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED的亮度。图4 PWM调制波形（2）采用交流电源的LED调光 普通的白炽灯通常采用可控硅来调光。因为白炽灯是一个纯阻器件，它不要求输入电压一定是正弦波，因为它的电流波形永远和电压波形一样，所以不管电压波形如何偏离正弦波，只要改变输入电压的有效值，就可以调光。采用可控硅就是对交流电的正弦波加以切割而达到改变其有效值的目的。其电原理图如图5所示。虚线部分就是安装在墙上的可控硅调光开关。a-b之间的电阻就是白炽灯负载。所以负载是和可控硅开关串联的。改变可变电阻的分压比就可以改变其导通角，从而实现改变其有效值的目的。通常这个电位器带一个开关，接在n的输入端，用于开关灯。图5 交流电源调光原理图2.2大功率LED散热技术对于单个LED而言如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2，可靠性将下降l0。为了保证器件的寿命，一般要求pn结的结温在110以下。在室温附近，温度每升高l，LED的发光强度会相应减少l左右，当器件从环境温度上升到l20时，亮度下降多达35。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。与其它固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在125以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计，热传导和对流是LED散热的主要方式。现在传统散热方法有：鳍片散热、风冷、液冷、热管散热、半导体制冷等4。2.2.1被动鳍片法散热鳍片担负着将发热物体产生的热量散发到周围空气中的使命。散热片通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热片，散热片通常是一块带有很多叶片的热的良导体。散热片性能主要和材料的导热系数、总散热面积及形状设计有关。材料导热系数越高，传热能力越强，一般金属的传热性能顺序为：银，铜，金，铝。散热鳍片形状可设计成多种阵列，如条形阵列、圆柱针状阵列等，鳍片法是目前经常用的方式，结构简单；它的缺点就是散热效率低，散热能力有限，易受积尘等影响使散热效率降低。2.2.2传统的主动式散热法主动式散热法包括风冷和夜冷，但主要使用风冷。风冷主要是使用风扇进行强制的对流使热量散发。因其安装简便、成本较低、散热效果明显、适应性强、产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流。通常使用散热片和风扇结合的方式，散热片充分扩展的表面使热对流面积大大增加，同时风扇增加对流系数从而散发更多的热量。但是它的缺点就是会需要额外的一个功耗，要增加它的能耗，系统的可靠性、稳定性就好下降，而且它受恶劣环境的影响，它的性能也会发生变异。2.2.3传统的热管技术热管利用蒸发散热，使得热管两端温度差很大，热量传导迅速，利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发端，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端，如图6所示。但其需结合其他散热方式导致它的成本增加5。图6 热管技术散热3.LED的应用LED作为新型、高效、节能、环保的产品，正悄然走进人们的生产生活。在许多领域都得到了广泛的应用6。3.1交通指示信号在交通指挥中，要大量用到红、黄、绿色的信号灯，LED的单色性能满足这一要求。目前这一邻域的大部分灯具都是LED的产品。3.2夜景照明在城市中，一些重要的建筑、商业中心、休闲娱乐场所等在夜间需要用各种不同颜色的灯光进行装饰。以前大量使用的是霓红灯，存在制作工艺难度大、玻璃部件过多易碎、工作电压高、能耗大等弊端和安全隐患。现在在政府的大力推动下，越来越多的LED产品应用到夜景照明中。如上海的东方明珠电视塔，全塔的光导点现已换成了LED灯，且夜间光彩依旧，每天因此而节约下来的电够800多户居民使用4小时。3.3特种照明在一些特殊场场合，如军事和医疗上，需要光源无红外辐射和热辐射。若采用普通的光源则很难达到要求，采用LED后则可以消除这些弊端。采用LED照明的军用车辆，能在夜间行使时更具隐蔽性和安全性。手术室的照明若采用LED则能满足不发热、无重影的良好效果。3.4作为背光源在液晶电视、手机等显示屏后大多采用LED作为背光源。普通萤光灯、日光灯发光响应时间一般为毫秒级，而LED则能达到纳秒级，从而使电视图象看起来更加流畅和鲜明。并且能有效节约用 60%以上的电能。3.5城市道路照明LED在开始研发阶段其功率只有几毫瓦，而目前国内的很多LED产家都能生产出单灯功率超过200瓦的产品。上海、北京、杭州等城市已决意采用高效节能的LED来代替传统的高压钠（汞）灯做为夜间道路的照明。3.6电子广告牌在机场、地铁等地经常看到利用电子牌提示的相关信息、为出行的人提供相关的信息，给大家带来方便。其实这种电子牌就是利用LED来制作的。在一些商业区，户外的电子广告墙小的有几平米，大到几十平米，其基本元件也是 LED，通过相应的控制电路，让这数千数万个LED发出不同颜色的光，就能显示出很流畅的图像。4.LED的发展前景大功率白光LED具有很多优点，其应用面不断扩大，可预见未来将进入普通照明领域，具有强大的市场潜力。对于LED的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足够的重视，并斥巨资投究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装材料等：Philips照明公司与HP公司合资的LumiLEDs Lighting公司；美国Cree、德国Siemens和Osram联合；美国GE公司与Emcore公司合资的Gelcore公司；日本的日亚（Nichia）、Toshiba和Honda联合等均投入大量人力、物力、财力进行研究，以期在这一新世纪光源领域占领制高点，如下表所示：国家/地区中国中国台湾美国欧盟日本专案计划国家半导体照明工程白光照明光源业界科专计划下一代照明计划彩虹计划21世纪照明计划时间阶段200320202002200520022020200019882010发光效率100lm/W(2010)160200lm/W(2020)40lm/W(2005)200lm/W120lm/W我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟世界LED产业发展的步伐。特别是近几年来，由于国家的重视，863光电子项目的投入，大学、科研机构加大研发力度，各地方政府及企业投入增加，LED发展已具有一定的规模，并形成LED的产业链。总而言之，目前的大功率高亮度LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到很好的推广，普通照明和汽车前照灯等领域还处于刚刚起步的阶段。但是随着大功率高亮度LED技术的飞速发展，一旦解决了在技术和成本上的问题，将会对传统的照明光源提出挑战，LED成为普通照明光源的时日会越来越近。5、结束语Holonyak 2000年在美国物理学会会刊发表了“发光二极管是灯的最终形式吗?”一文,其结论是“原则上发光二极管是灯的最终形式,实际上也是如此,它的发展确实能够而且将继续到所有功率和颜色都实现为止,了解这一点极为重要。”进入21世纪来半导体照明光源的发光效率取得了长足的进步,并超过了各国政府预期的计划指标,最近三四年中,发光效率有望突破150 lm/W。LED灯具将走进千家万户,室外照明也将进入推广阶段,真正的绿色照明无公害且节能减排的半导体照明光源将逐渐成为照明光源的主角。6、参考文献1 阎金铎,田世昆.中学物理教学概论M.北京:高等教育出版社,1990.2 杨先.LED原理和应用J.大众科技,2010,136(12):114115. 3 居大鹏.LED驱动器的调光技术P.电子产品世界,2010:3436.4 王敬阳,张建新.大功率LED散热技术研究J.信息与电脑,2010 (02):177179.5 李岳林.工程热力学与传热学M.第一版.北京：人民交通出版社，1999.124169.6 张发兴.浅谈LED照明技术及应用J.科技资讯,2010, (20):44.7、致谢在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师苏宏艮老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，苏老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了苏老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。通过这次毕业设计在一定程度上提高了我独立思考问题解决问题的能力而且培养了认真严谨，一丝不苟的学习态度。由于经验匮乏，能力有限，设计中总是漏洞百出，希望各位老师多加指教。在此衷心地祝愿老师身体健康，万事如意！7