LED节能灯的工作原理

LED节能灯的工作原理

节能灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发

射电子〔因为在灯丝上涂了一些电子粉〕，电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩

原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离

1、LED发光机理：PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，

P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所

以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带

上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的

原理。

2、LED发光效率：一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与

组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转

换效率，主要与组件本身的特性〔如组件材料的能带、缺陷、杂质〕、组件的垒

晶组成及结构等相关。而组件的取出效率那么指的是组件内部产生的光子，在经

过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。因此，

关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装

材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出

效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。早期组件

开展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的

结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%

左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极

限。在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量

的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒

外型的改变——TIP结构，外表粗化技术。

3、LED电气特性：电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通

电压的极小变化会引起正向电流的很大变化〔指数级别〕，反向漏电流很小，有

反向击穿电压。在实际使用中，应选择 。LED正向电压随温度升高而变小，具

有负温度系数。LED消耗功率 ，一局部转化为光能，这是我们需要的。剩下的

就转化为热能，使结温升高。散发的热量〔功率〕可表示为 。

4、LED光学特性：LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度

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的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温

度系数为+2~3A/ 。LED发光亮度L与正向电流 近似成比例： ，K为比例系数。

电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高

时，复合效率下降，发光强度减小。

5、LED热学特性：小电流下，LED温升不明显。假设环境温度较高，LED的主波

长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温

升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键。

6、LED寿命：LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰

问题更加严重。在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是

远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比方35%，这样更

有意义。

7、大功率LED封装：主要考虑散热和出光。散热方面，用铜基热衬，再连接到

铝基散热器上，晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接，这种散热方式效果较好，性

价比拟高。出光方面，采用芯片倒装技术，并在底面和侧面增加反射面反射出浪

费的光能，这样可以获得更多的有消出光。

8、白光LED：类自然光谱白光LED主要有三种：第一种是比拟成熟且已商业化

的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光，这种白光本钱最低，但是蓝光晶粒发光波

长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度，而且光

谱呈带状较窄，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛不柔和不协调。

人眼经过进化最适应的是太阳光，白炽灯的连续光谱是最好的，色温为2500K，

显色指数为100。所以这种白光还需要改良，比方加多发光过程来改善光谱，使

之连续且足够宽。第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得

白光，发光原理类似于日光灯，该方法显色性更好，而且UV-LED不参与白光的

配色，所以UV-LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别地敏感，并

可由各色荧光粉的选择和配比，调制出可接受色温及演色性的白光。但同样存在

所用荧光粉有效转化效率低，尤其是红色荧光粉的效率需要大幅度提高的问题。

这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大、配合荧光粉紫外光波长的选择、UV-LED

制作的难度及抗UV封装材料的开发也是需要克服的困难。第三种是利用三基色

原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光，该方法的优点是不需经过荧光粉的转

换而直接配出白光，除了可防止荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更

可以分开控制红、绿、蓝光LED的发光强度，达成全彩的变色效果〔可变色温〕，

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并可由LED波长及强度的选择得到较佳的演色性。但这种方法的问题是绿光的转

换效率低，混光困难，驱动电路设计复杂。另外，由于这三种光色都是热源，散

热问题更是其它封装形式的3倍，增加了使用上的困难。 偏振LED和三波长全

彩化的白光LED将是未来的开展方向。

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