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新型超高亮LED的特性与应用

更新时间: 2019-01-05
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与早期的LED发光二极管相比较,新型超高亮LED最显著的特点是亮度提高了近百倍。早期LED的发光强度仅十几~几十mcd,而新型LED的发光强度最低也可达到1500mcd。另一个明显的区别是发光管颜色的产生机理不同。早期LED是通过着色封装材料来得到某一种颜色的光,也就是说封装材料起着滤色片的作用。而新型超亮LED外壳都是无色透明树脂封装,其发光体本身就能发出某一波长的光,从而呈现出某一种颜色。它广泛应用在户外广告牌、电子显示屏,交通信号灯、标志牌,汽车尾灯,LCD背光源等。本文主要介绍目前国内常见几种颜色的超高亮LED的电气/光学特性、应用注意事项、典型应用等。
特性及参数
光谱分布: 目前国内常用几种颜色的超高亮LED的光谱波长分布为460~636nm,波长由短到长依次呈现为蓝色、绿色、黄绿色、黄色、黄橙色、红色。具体波长分布见表1。

常见几种颜色LED的典型峰值波长是:蓝色——470nm,蓝绿色——505nm,绿色——525nm,黄色——590nm,橙色——615nm,红色——625nm。
发光强度分级: 生产厂家按照发光强度对LED进行了分级,发光强度分级见表2。
用户可根据实际应用场合来选取不同发光强度等级的LED。例如,交通信号灯中所用的三种颜色LED的发光强度一般选取V档或W档。
正向导通压降分布: 早期各种颜色LED的芯片材料为GaAs,正向导通压降为1.8V左右。而不同颜色超高亮LED的芯片材料是不同的,红色、橙色、黄色LED的芯片材料为AlGaInP,正向导通压降为1.8V~2.5V,典型值为2.0V;绿色、蓝色、白色的LED的芯片材料为InGaN,正向导通压降为2.8-4.2V,典型值为3.6V。
极限电气参数: 极限电气参数是应用中绝对不能超过的极限值,否则会造成LED损坏。几种常用颜色LED的极限电气参数见表3。

主要光电参数(TA=25℃):几种常用颜色LED的主要光学、电气参数见表4。
典型特性曲线: 正向电压与正向电流关系曲线见图1,发光强度与正向电流关系曲线见图2,反向电流与反向电压关系曲线见图3,正向电流与环境温度关系曲线见图4,发光强度与环境温度关系曲线见图5,光束空间辐射图见 6,光谱分布特性见图7。

关于特性曲线的几点说明:(1)某种颜色LED的光谱特性曲线是典型的钟形曲线,图7是峰值波长λp=525nm的绿色LED的光谱特性曲线。对应于峰值波长λp时发光强度获得最大输出,偏离该波长的其它频率成分输出幅度很小。光谱特性曲线上对应于50%最大发光强度的两点间的宽度称为半峰宽Δλ。(2)图6所示的是视角(半光强度)25°LED的空间辐射图。半光强角2 θ1/2是曲线上对应于50%最大发光强度的两点与LED点光源连间的夹角,θ1/2是连线与轴向之间的夹角。(3)由图2所示的发光强度与正向电流关系曲线看出,发光强度随正向电流的增加而非线性增加,当正向电流增加到某一数值后发光强度变化很小。因此,实际应用中一般取正向电流20mA。(4)由图4所示的正向电流与环境温度关系曲线看出,当环境温度高于40℃时,正向电流要降额使用。一般按0.3mA/℃降额使用。

应用实例
超高亮LED用于户外广告牌、电子显示屏,交通信号灯、标志牌等场合时,都是大量LED串、并联组合而成的。由于LED数量很多,使用过程中不可避免地出现LED 损坏的情况,必须采取措施来提高整机的可靠性。设计LED应用电路时应注意的几个问题:1、为延长LED寿命,正向电流应降额使用,电网电压为220V时,一般取15mA左右,电网电压最高时也不能超过20mA。2、考虑到正向压降的一致性问题,应尽量避免直接并联使用,一般采用串联或先串后并方式。3、少量LED损坏时,不能影响全局。为此,发光管应分成多路供电而且应采取措施保证每路中出现发光管开路损坏时,未损坏的发光管照常点亮。4、要确保供电电路的可靠性,绝对不能出现因供电电路故障而损坏大量LED的现象。因为超高亮LED价格很贵,一旦发生问题会造成很大的经济损失。因此必须采取各种保护措施,确保安全运行。
图8~10为超高亮LED在交通信号灯中的应用电路,图8-(a)为变压器降压供电方式,图8(b)为电容降压供电方式,图8(c)为电阻降压供电方式,图9为串联方式,图10为先串后并方式。供电电路中都采用了polyswitch自恢复保险丝,确保流过LED的电流不超过其极限值,防止LED过流损坏。低电压供电时采用图9所示的串联连接方式,高电压供电时采用图10所示的先串后并连接方式。与每一只LED相并联的稳压管保证一路中出现发光管开路损坏时,未损坏的发光管照常点亮,避免因少量LED损坏造成大面积LED不亮的现象发生。稳压管的稳压值要略高于LED的正向导通压降,这样在LED未开路损坏时,稳压管几乎没有电流流过,而当LED出现开路损坏时,稳压管压降非常接近正常LED的导通压降,从而保证其所在支路的电流几乎不变。

注意事项
1、静电会损坏超高亮LED,尤其是绿、蓝、白色管。当用手拿取时要有必要的防静电措施,例如带防静电手腕带或手套。
2、焊接时电烙铁要有必要的防静电接地保护措施,尤其是焊接绿、蓝、白色管时。
3、由于超高亮LED视角比较小,一般为15度~30度,方向性较强,焊接装配时必须紧贴线路板垂直安装,否则亮度会大大降低