早期的LED主要用於做指示燈。它的發光強度不高,一般小於1mcd,高的也僅幾個mcd;另外,發光效率也不高,一般小於0.21m/W,其功率僅幾十mW到上百個mW(屬於小功率LED)。本文就從發光強度提高說起。
發光強度及發光效率的提高
作為指示燈方面的應用,有幾個mcd的發光強度也可以了,但由LED組成的數碼管或字元管則顯得亮度不足,若要用於戶外作訊號或標誌顯示,則其亮度太低,不能滿足使用的要求。所以LED的主要發展方向是提高發光強度(也就是一般所指的提高亮度)。
隨著半導體材料及半導體工藝技術、裝置的發展,LED的亮度不斷提高,開發出高亮度及超高亮度LED,並且不斷創造新記錄。
筆者用現有的LED資料,以中5標準封裝、發紅光、視角差不多的LED為例,以不同的生產年份的發光強度來說明LED發光強度提高的情況,如表1所示。
從表1可以看出,近30年LED的發光強度提高了8000倍左右。1969～1987年LED的發光強度是很低的,發展很慢,但1994～2005年LED的亮度有很大的發展。表1中列出的並非發光強度最高的。例如,在GaAs的襯低上採用AIlnGaP工藝技術製成的Φ5、紅光LED,在小視角4°、50mA工作電流時,其典型發光強度為20000mcd。
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LED另一個重要效能指標是發光效率η,用1m/W來表達。各年份生產的LED發光效率如表2所示。
從表2可以看出,這30多年來,LED的發光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED發光效率提高較慢,1990-2005年則提高較快。例如,Cree公司生產的lW白光LED XL7090WHT,其發光效率可達601m/W。
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封裝的白光LED。XL7090WHT的發光強度大,電流350mA時的典型光通量為601m,在瞬態脈衝電流700mA時典型光通量可達981m,而目前一般1W白光LED的光通量為30～45lm),XL7090WHT的發光效率高達601m/W,視角寬達100°,封裝尺寸僅為9mmx7mmx4.3mm,工作溫度範圍是-20~+80℃。
由於XL7090WHT發光強度大、發光效率高,因此它適用於家庭、商業或場所明、DVD、膝上型電腦、機的彩色顯示屏的背光,廣告燈、路燈及標誌燈,汽車及工具的內外照明及數碼相機的閃光燈等。
從表1和表2也可以看出,LED的發光強度及發光效率的提高主要取決於採用的半導體材料及其工藝技術的發展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半導體材料)和GaAsP(三元素半導體材料),1994年左右採用AIInGaP(四元素半導體材料)後,其發光強度及發光效率有很大的提高。另外,在工藝技術上採用在GaAs襯底上用AilnGaP材料生產的紅光、黃光LED及在SiC襯底上用InGaN材料生產的綠光、藍光LED,在發光強度及發光效率上有較大的改進。
LED的功率提高
我們知道LED的發光強度與正向電流IF,幾乎成線性關係,即增加正向電流IF可增加發光強度。但LED有一個最大功耗PD值的限制,PD=VFxIF(VF為正向壓降),若過大地增加IF而使PD超過最大值時,LED會過熱而損壞。為了要提高發光強度,開發出中功率LED(一般為幾百mW),其工作電流也提高到70mA。近年來,為進一步提高發光強度,開發出大功率LED,其功率一般為1～10W(有一些還大於10W)。它的工作電流一般為350～700mA,有些可達1A以上。
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以American Opto Plus LED公司生產的5W的PU-5WXX系列為例,在700mA電流下,其結溫了Tj為25℃,其典型發光強度如表3所示(大功率LED的發光強度用光通量表示)。
從表3可以看出,除藍光LED的發光強度及發光效率較低外,其他發光顏色的發光強度及發光效率都相當高。
早期生產的LED是小功率的(幾十至上百mW),現在已能生產大於10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
雖然說小功率LED與大功率LED的發光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的壽命更長。另外,採用很多小功率白光LED組成的燈泡可靠性也差一些,燈泡體積也較大。例如,用1W白光LED做成燈具,其尺寸為50.8mmx50.8mmx7.1mm,而採用Φ5白光LED來做,其體積則要大得多。但目前大功率LED投產時間不長,價位較高,所以目前大部分LED燈泡仍是用小功率LED做的。
白光LED的誕生是個突破
白光LED是LED家族中最後一個問世的,它的誕生是LED生產中一個重要的突破,它將成為新的照明光源。
白光是複合光,可以用紅、綠、藍(R、G、B)三基色LED混合成白光,1995年前後生產的一種整合LED白光燈(或稱全色LED燈)由2個高亮度藍光LED、15個綠光LED及5個紅光LED組成。這種白光LED燈尺寸大、白光純度不高、發光效率也不高。但這種三基色燈用微控制器來控制可發出七色光及白光的變色燈,可用於娛樂場所,增加節日氣氛。另外,採用RGB三種管芯組成的RGBLED常用於手機的變色背光。
採用R、G、B三色LED可以組成彩色LED顯示屏的畫素,用它組成彩色LED顯示屏。
在上世紀末,可能受熒光燈的啟發,開發出在高亮度藍光LED管芯上加一層熒光粉,用藍光激發熒光粉發出白光的白光LED。採用不同的熒光粉,可發出冷白光(色溫為4500～10000K)及暖白光(色溫為2850～3800K)的白光LED。目前,白光LED的發光效率大都已超過301m/W,某些產品已超過501m/W的水平。它給用於照明的LED
燈泡創造良好的條件。
在2005年開發出無熒光粉的、Φ5、透明樹脂封裝的白光LED。該白光LED採用藍寶石(Al2O3)為襯底,採用InGaN工藝技術製成。在IF為20mA時,發光強度為700～1200mcd。
白光LED照明燈泡
近年來,LED的發光強度及發光效率迅速提高、發光顏色齊全、功率增加、降低,給開發各種功能的LED燈泡及燈具創造了極好的條件,也給二次開發LED產品創造良好的機會。例如,現在的城市訊號燈及標誌燈採用LED替代了傳統的白熾燈,不僅節省大量的電能,而且無須經常更換損壞的白熾燈:五彩繽紛的各種LED裝飾燈,給城市夜景打扮得五光十色,廣場上的超大螢幕的彩色LED顯示屏讓全世界的`球迷過足了癮。
本文將介紹以下幾種白光LED燈的應用及發展,包括彩色LCD的背光照明燈、閃光燈及家用LED照明燈,它們最大的特點是節電和壽命長。
1 彩色LCD的背光照明
由於白光LED作背光時電路比用CCFL簡單且尺寸小,所以在手機、PDA等小螢幕彩色LCD中都採用白光LED作背光照明。過去認為白光LED只適用於小面積的彩色LCD顯示屏,但近年來,隨著LED效能的提高,它不僅用於小尺寸LED螢幕,現已用於5英寸、7英寸DVD、GPS的顯示屏上,並發展到12英寸膝上型電腦及電視機的背光照明。
2 閃光燈
數碼相機正逐漸替代用膠捲的相機,在數碼相機中採用超高亮度的白光LED替代了傳統的氙燈。採用超高亮度的白光LED作閃光燈不僅電路簡單、尺寸小、耗電省,而且無須充電時間。例如,前面提到的1W白光LED XL7090WHT,它在用作閃光燈時,700mA的脈衝電流時其典型光通量為981m。
3 家用LED照明燈
目前家用照明燈主要是白熾燈、熒光燈(日光燈)及節能熒光燈。白光LED燈泡與熒光燈、節能熒光燈、白熾燈泡在發光效率及平均壽命上的比較如表4所示。
從表4可知,白光LED燈泡的發光效率高於白熾燈泡,但低於熒光燈及節能熒光燈。白光LED的平均壽命最長的,比節能熒光燈高8倍,比白熾燈高33倍多。
目前國內已能生產1～3W由Φ5白光LED組成的白光LED燈泡(外形與白熾燈泡相同,球形外殼用透明塑料做成,直徑約60mm,燈頭用E27螺紋燈頭),其發光效率η超過351m/W。2～3W的白光LED燈泡亮度與25W白熾燈泡差不多。另外,目前也能夠生產出12W白光LED的日光燈管,其光通量超過5001m,發光效率超過401m/W。這兩種白光LED做成的燈壽命都超過50000h。這兩種燈都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成,目前售價較高,且尚未上市。
算一筆節電帳及帳
白光LED做成的照明燈節能、長壽命。筆者將發光亮度相差不多的三種燈在使用中作了節電上及經濟上的比較。這三種燈分別是3W的白光LED燈泡、5W的節能熒光燈和25W的白熾燈泡。這三種燈都採用220V市電供電。在計算中,3W的白光LED燈泡按5W計算(其中有2W是AD/DC及驅動電路的損耗),5W的節能熒光燈按7W計算(2W是自鎮流及電路的損耗)。這裡要說明的是3W白光LED燈泡及5W節能熒光燈的生產工廠並沒有給出這種損耗值,2W是筆者估算的。計算的結果如表5所示。
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從表5可知,從節電的方面來比較,同樣使用了50000h,白熾燈要用1250度電,而3W的白光LED燈只要250度電,相差1000度電。如果全國有1億隻3W白光LED燈替代了25W白熾燈泡,則在50000h的使用時間中可節省1000億度電。另外,從經濟方面來比較,用1個3W白光LED燈點了50000h,總的花費是209元,若用25W白熾燈泡需花費688.4元,相差479.4元。
結束語
白熾燈自發明以來已有150年,而白光LED燈泡生產才幾年。目前在上已有白光LED的手電筒、在礦上有白光LED的礦燈,不僅亮度好,而且節電。家用白光LED燈泡目前還沒有上市,而且目前只能生產小功率的燈泡,在亮度方面還不如節能熒光燈亮,且價位還較高,普通家庭還難以接受。
隨著半導體材料及工藝技術的進步,生產量的增加,筆者認為可能還需3～5年時間,LED照明燈的效能會進一步地提高,價格也會不斷地下降,它將逐步地進入千家萬戶,給您帶來節電、明亮的新的光源。