LED应用-1

应用篇1．单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?针对某一个特定的LED,加上规定的正向偏置,例如加上I F=20mA正向电流后(对应的V F≈3.4V),测得的辐射光通量Φ=1.2lm,则这个LED的流明效率为:ηe-Φ=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W显然，对于单个LED，如施加的电功率P e=V F×I F,那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个LED的流明效率。

但是，作为一个灯具，不论LED PN结上实际加上的功率V F×I F是多少，灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分（如稳压源、稳流源、交流整流成直流电源部分等）所消耗的功率。

如图4-1所示，以一个MR-16灯具为例，其工作电压为AC12V，用一只1W LED作光源，其工作电流I F =300mA，此时V F=3.2V，在LED PN结上的电功率为0.96W，单管的光通量为17lm，但由于灯具内部存在AC/DC变换以及恒流源驱动电路，因此实际输入电功率P e要大于LED上得到的电功率，使总体的流明效率下降。

假定这个灯的输入功率为1.2W，则灯具的流明效率应为：ηe-Φ（灯）=17lm/1.2W=14.17lm/W可见，灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。

电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的LED 驱动电路就显得极为重要。

2.为什么一只蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成白光LED后,其辐射光通量会比蓝光高出几倍甚至十几倍?从前面我们已经知道白光LED是用什么方法制造出来的,其中一种方法是在发蓝色光的LED芯片上涂上一层YAG荧光粉,部分蓝光光子激发YAG荧光粉,形成光—光转换，荧光粉被激发产生黄光光子，蓝色光与黄色光混合变成白色光，成为白光LED。

这种通过光—光转换后不同波长光的混合，会使它的波谱变宽，白光LED一般具有比图4-2所示的LED蓝光波谱宽得多的波谱。

对于用蓝光芯片加YAG荧光粉制成的白光LED，与单色LED相比，人眼对它的视觉函数应当是图4-3所示的各种波长成分视觉函数的积分平均值，此值可以通过计算得到约为296lm/W，即这种白光LED，当发射出光功率1W 的白光时，其辐射光通量约为296lm，这个数值比发射光功率1W的蓝色LED 的辐射光通量41lm增大了7.2倍。

我们举一个例子说明，若制作白光的蓝光芯片的光通量为2lm，当涂上YAG荧光粉后制成白光LED，则它的光通量可以达到15~20lm，只要荧光粉的受激波长与蓝光的激发波长相匹配，并控制涂布制程，是可以获得良好效果的。

3．照度的定义是什么？知道某个LED的辐射光通量，能否求出它的照度？在照明应用中，往往要知道被LED照明光源照射的某一个接收面元上的光通量Φ。

很显然，不同面元的面积dS之比，照度单位为勒克斯，用lx来表示，并可写作：E=dΦ/dS （4-1）从式（4-1）可以知道，只要了解了LED光源的光通量Φ和被照射的面积S，则在这个面积S的面上的照度E即可用式（4-1）求得。

因此，从式（4-1）可知，照度又可称作为单位面积的光通量。

根据照度的定义，我们可以得到Φ与E的相互换算关系，由式（4-1）式可知，知道了照度E和被照单元面积即可计算出光通量Φ：Φ=E·S （4-2）这些关系式在LED实际应用中十分重要，是经常要用到的基本设计公式。

例如图4-4，用LED光源作路灯，已知路灯高10m，灯距为16m，要使两盏灯间路面范围内照度为20lx，每盏灯的LED光源要用多大的光通量？这里 r=16/2=8m因此 S=3.14×82≈200m2于是有：Φ=E·S=20lux×200m2=4000lm假设用每个Φ为20lm的功率LED来作这个灯的光源，需要200个才能满足要求。

4．当用发光角为60°的LED作数码相机闪光灯的白光光源时，要求在照射距离0.5m的照射面上照度为10lx，试问这个LED的光通量应为多少？这是一个知道照度E后要求换算为光通量的例子。

从式（4-1）可知，这个LED的光通量应为Φ=E·S，这里没有直接告知S的数值,所以首先要求出它的照射面的面积。

已经知道LED发光角为60°，照射距离为0.5m，于是可将LED当作一个点光源处理，可以从图4-5求出面积S。

显然有：r=d·tan(θ/2）=0.5m×tan30 °≈0.29mS=πr2=3.14×(0.29)2 ≈0.261m2E=Φ/SΦ=E×S=10lx×0.26=2.6lm即只要这个LED的光通量大于2.6lm即可符合题意的要求。

如果要求照射距离为3m时，则照射面积就为9.4m2，此时要求这个LED的光通量为94lm，在目前情况下，就有困难，需用两个或两个以上的LED才能实现。

5.请问LED的光通量Φ与发光强度即光强是否能相互转换？首先我们来了解一个光通量的定义：一个在所有方向上光强为1cd的点光源，其辐射出的光通量为4πlm。

这就是说，一个点光源假设它处在球心上时，若它的辐射光通量为4πlm（≈12.56lm）时，球面上任一点的光旨为1cd，从这一点出发，我们可以在有条件的情况下，进行两者间的转换。

我们举个例子来说明，假如已知一个LED的发光强度I V=5cd，其射出角为60°，问它的等效光通量是多少》由于LED制成器件后并不是一个真正含义上的点光源，它射出的光有一定的配光范围，这里是60°即出光圆锥角为60°，仅为球面的1/6，此时其等效光通量可表示为：Φ=（4π×60°/360°）lm×5cd=10lm，在同样发光强度下，LED射出角越大，其等效光通量也越大，不同的射出角在I V相同时，Φ随θ增大而增大。

6.LED的发光强度I V与照度E之间如何进行换算？由68题照度定义可知：E=dΦ/dS。

显然，在同等光通量下，照射面元的面积越大，照度越小，反之亦然。

如果知道了LED的光通量Φ和需照射的面积，就可换算出照度E；如果知道了LED的发光强度I V和射出角θ，则同样可换算出照射在面元面积为S 的面上的照度。

例如，一个发射角为60°，光强I V=1cd的LED，在向其法向距离为0.1m 的平面上照射时，它的照度可以从下述步骤求得：由上述I V与Φ的换算可以知道，发射角为60°，发光强度为1cd的LED 光源的等效光通量Φ=4π×（ 60°/360°）≈2lm，而在照射到0.1m距离的面元时，该被照面元的面积S为：S=π(d×tan30°)2 ≈3.14×(0.1×0.58) 2≈0.0105m 2于是有：E=Φ/S=2lm/0.0105 ≈190lx。

如果距离为1m时，则照射角上的照度仅为1.92lx。

从上面这些参数之间的互换来看，均是有条件的，比较与使用条件相对关系不大的是光通量Φ，因此在LED用于照明领域时，往往用光通量来表示它的光学参数就可以理解了。

7.为什么说用积分球来测量LED的光通量时，可以认为：在积分球内表面任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度，不受点的位置的影响？这个问题实际上利用积分球测光通量的原理基础。

可以证明：球体表面上任一点的照度与它的位置无关，整个球内表面的照度E是常数。

下面来简单加以说明。

参看图4-6，假定球的半径为r，光源位于球心L处，球内表面涂有反射率为ρ的漫散射材料，光源L到P点间有挡板Q遮挡，光线不能直接射到球内表面P的位置上，但P点处能接收来自内表面的反射光，于是从图4-6可看出，由到P点距离为d的面元ΔS在P点产生的照度ΔE可写作：ΔE=ΔIvcosφ/r2 (4-3) 式中ΔIv为ΔS面元的光强，它由L光源照射产生，式（4-3）又可写作：ΔE=LΔScosφcosθ/d2 (4-4) 式（4-4）为照度平方反比定律，即余弦定律。

L是光源的光强，于是面元ΔS上的光强由式（4-3）和式（4-4）可得到：ΔIv=LΔScosφ(4-5)对于一个球体来说，图4-6中，θ=φ，而P到ΔS的距离为d=2rcosφ,将该关系式代入式（4-5）中即可得：ΔE=LΔS/4r2（4-6）ΔE球内表面P点处的照度，由式（4-6）可知，当光源L的光强不变，球的半径也不变时，ΔE是一个常数，与P点处的位置无关，即与θ角的大小无关，这就是积分球被用作Φ测量的依据所在。

8.为什么LED PN结上温度升高会引起它的光电参数退化？这个问题要从半导体PN结的机理上去了解，PN结作为杂质半导体，在其工作过程中同样存在杂质电离、本征激发、杂质散射和晶格散射等问题，从而使复合载流子转换成光子的数量和效能发生变化。

当PN结上的温度（例如环境温度）升高时，PN结内部杂质电离加快，本征激发加速。

当本征激发产生的复合载流子的迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样I F下，V F降低。

如果不用恒流源驱动LED，则V F下降将促使I F指数式增加，这个过程将使LED PN结上温升更快，最终温升超过最大结温，导致LED PN 结失效，这是一个正反馈的恶性过程。

PN 结上温度升高，使半导体PN 结中处于激发态的电子—空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。

这是由于PN 结上温度升高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值时，电子—空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子（或离子）交换能量，于是成为无光子辐射的跃迁，LED 的光学性能退化。

理论证明，辐射跃迁的数量是随温升呈指数上升的规律变化，并可以用式（4-7）来表示： (4-7)式中 I vo ——PN 结发生温升前的发光强度；ΔE ——LED PN 结的激活能；K——玻尔兹曼常数；T——绝对温度由式（4-7），I V （T ）与T 呈指数关系。

另外，PN 结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能级裂变，能级裂变受PN 结温度影响，这就意味着由于温度影响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子跃迁产生的光谱发生变化，这就是LED 发光波长随PN 结温升而变化的原因。

综合上述，LED PN 结上温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还会引起LED 封装材料（例如环氧、荧光粉等）物理性能的变化，严重时导致LED 失效，所以降低PN 结温升，是应用LED 的重要关键所在。