超高亮LED

hpwa-xh00是lumileds lighting公司的一种超高亮led，本文以它为例分析超高亮led的特性。图1为正向压降(vf)和正向电流的(if)关系曲线，由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约2v)，即通常所说的导通电压之后，可近似认为，if与vf成正比。表1是当前主要超高亮led的电气特性。由表1可知，当前超高亮led的最高if可达1a，而vf通常为3~4v。 由于led的光特性通常都描述为电流的函数，而不是电压的函数，光通量(φv)与if的关系曲线如图2所示，因此，采用恒流源驱动可以更好地控制亮度。此外，由表1可知led的正向压降变化范围比较大(最大可达1v以上)，而由图1中的vf-if曲线可知，vf的微小变化会引起较大的，if变化，从而引起亮度的较大变化。所以,采用恒压源驱动不能保证led亮度的一致性，并且影响led的可靠性、寿命和光衰。因此，超高亮led通常采用恒流源驱动。 图3是hpwa-xh00 led的温度与光通量(φv)关系曲线，由图3可知光通量与温度成反比，85℃时的光通量是25℃时的一半，而一40℃时光输出是25℃时的1.8倍。温度的变化对lfd的波长也有一定的影响，因此，良好的散热是led保持恒定亮度的保证。

与传统的照明灯相比，超高亮led具有如下优点: 1)寿命长，可靠耐用，维护费用极为低廉led可连续使用105h，比普通白炽灯泡长100倍; 2)高效率现在已经可以达到201m/w.预计到2005年将达到501m/w]，led)的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80%~90%，led比节能灯还要节能1/4; 3)色彩鲜艳，光色单纯 以12英寸的红色交通信号灯为例，它采用低光效的140w白炽灯作为光源，所产生的2000lm的白光经红色滤光片后，光损失90%，只剩下2001m的红光，而在lumileds lighting公司采用18个红色led光源设计的灯中，包括电路损失在内，仅耗电14w，即可产生同样的光效; 4)点亮速度快 汽车信号灯是led光源应用的一个重要领域，由于led响应速度快(ns级)，在汽车上安装高位led刹车灯，可以减少汽车追尾事故的发生。 近年来高亮led已经在汽车的近光灯中得到了应用，例如德国奥迪公司的奥迪a86.o，意大利fioravanti公司在2003年日内瓦车展上推出的概念车yak，美国福特公司不久前在底特律车展上推出的model u都开始将高亮led用于前照灯的设计中。 尽管超高亮led具有许多优点，但目前仍存在下述缺点: 1)功率低市面上的单体led功率一般在5w以下，还没有出现更大功率的led，这是目前led难以成为照明首选的最大瓶颈; 2)需要严格控制温度 led是一种半导体材料，与普通二极管一样具有pn结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响led的寿命，并且会增大led的光衰，情况严重的会将led烧坏; 3)价格高除了功率低，价格是led难以成为照明的主要因素，虽然led目前已被大多数人认识，也被多数人看好，但其高昂的价格难以被消费者接受，目前单体黄色led大约o.6元/个，绿色与蓝色单体led在1.8元/个左右，白色led的价格达到了2.2~5.5元/个左右;如果将几十个单体led组合，其成本将大大增加,如把一个led安装在草坪灯里，其单价就相当于一般草坪灯的几倍，led要成为未来照明的主流光源，就一定要朝着大流明方向发展，成本才有可能降低，市场才有可能突破。

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。 超高亮led在交通信号灯中应用时，供电电路中采用了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。

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

超高亮度红A1GaAsLED与GaAsP-GaP LED相比，具有更高的发光效率，透明衬低(TS)A1GaAs LED(640nm)的流明效率已接近10lm/w，比红色GaAsP-GaP LED大10倍。超高亮度InGaAlP LED提供的颜色与GaAsP-GaP LED相同包括:绿黄色(560nm)、浅绿黄色(570nm)、黄色(585nm)、浅黄(590nm)、橙色(605nm)、浅红(625nm深红(640nm)。透明衬底A1GaInP LED发光效率与其它LED结构及白炽光源的比较，InGaAlP LED吸收衬底(AS)的流明效率为101m/w，透明衬底(TS)为201m/w，在590-626nm的波长范围内比GaAsP-GaP LED的流明效率要高10-20倍;在560-570的波长范围内则比GaAsP-GaP LED高出2-4倍。超高亮度InGaN LED提供了兰色光和绿色光，其波长范围兰色为450-480nm，兰绿色为500nm，绿色为520nm;其流明效率为3-151m/w。超高亮度LED目前的流明效率已超过了带滤光片的白炽灯，可以取代功率1w以内的白炽灯，而且用LED阵列可以取代功率150w以内的白炽灯。对于许多应用，白炽灯都是采用滤光片来得到红色、橙色、绿色和兰色，而用超高亮度LED则可得到相同的颜色。近年AlGaInP材料和InGaN材料制造的超高亮度LED将多个(红、兰、绿)超高亮度LED芯片组合在一起，不用滤光片也能得到各种颜色。包括红、橙、黄、绿、蓝，目前其发光效率均已超过白炽灯，正向荧光灯接近。发光亮度已高于1000mcd，可满足室外全天候、全色显示的需要，用LED彩色大屏幕可以表现天空和海洋，实现三维动画。新一代红、绿、蓝超高亮度LED达到了前所未有的性能。

汽车信号指示:汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯和刹车灯;在车的内部主要是各种仪表的照明和显示。超高亮度LED用于汽车指示灯与传统的白炽灯相比具有许多优点，在汽车工业中有着广泛的市场。LED能够经受较强的机械冲击和震动。平均工作寿命MTBF比白炽灯泡高出几个量级，远远高出汽车本身的工作寿命，因此LED刹车灯可封装成一个整体，而不必考虑维修。透明衬底Al.GaAs和AlInGaP LED与带有滤光片的白炽灯泡相比具有相当高的流明效率，这样LED刹车灯和方向灯就能够在较低的驱动电流下工作，典型的驱动电流只有白炽灯的1/4，从而降低了汽车用于行驶距离。较低的电功率还可降低汽车内部线路系统的体积和重量，同时还可减小集成化的LED信号灯的内部温升，允许透镜和外罩使用耐温性能较低的塑料。LED刹车灯的响应时间为100ns，比白炽灯的响应时间短，这样便给司机留下了更多的反应时间，从而提高了行车的安全保证。汽车的外部指示灯的照度及颜色均有明确规定。汽车的内部照明显示虽不像外部信号灯那样受到政府有关部门的控制，但汽车的制造者对LED的颜色及照度有要求。GaP LED早已用于车内，超高亮度AlGaInP和InGaN LED由于在颜色和照度上可满足制造者的要求，因而将更多的取代车内白炽灯。从价格上看，尽管LED灯与白炽灯相比还是较贵的，但从整个系统来看，二者的价格并没有明显的差别。随着超高亮度TS AlGaAs和AlGaInP LED实用化的发展，最近几年价格一直在不断降低，今后降低的幅度还会更大。

交通信号指示:用超高亮度LED取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、标志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。根据美国交通部门1994年的统计，美国安装交通信号灯的十字路口有26万个，每个十字路口至少要有12个红色、黄色、蓝绿色信号灯。许多十字路口还有一些附加的转变标志和跨越马路的人行横道警示灯。这样，每个十字路口可有20信号灯，而且要同时发光。由此可推算出美国全国约有1.35亿个交通信号灯。目前采用超高亮度LED取代传统的白炽的灯降低电力损耗已取得明显效果。日本每年在交通信号灯上的耗电量约为100万千瓦，采用超高亮度LED取代白炽灯后，其耗电量仅为原来的12%。

交通信号灯每个国家的主管部门都要制定相应的规范，规定信号的颜色、最低的照明强度，光束空间分布的图样以及对安装环境的要求等。尽管这些要求是按白炽灯编写的，但对目前采用的超高亮度LED交通信号灯基本上是适用的。 LED交通信号灯与白炽灯相比，工作寿命较长，一般可达到10年，考虑到户外恶劣环境的影响，预计寿命要减少到5-6年。目前超高亮度AlGaInP红、橙、黄色LED已实现产业化，价格也比较便宜，若用红色超高亮度LED组成的模块取代传统的红色白炽交通信号灯头则可将因红色白炽灯突然失效给安全造成的影响低到最低程度。一般LED交通信号模块由若干组串联的LED单灯组成，以12英寸的红色LED交通信号模块为例，在3-9组串联的LED单灯，每组串联的LED单灯数为70-75个(总数为210-675LED单灯)，当有一个LED单灯失效时，只会影响一组信号，其余各组减小到原来的2/3(67%)或8/9(89%)，并不会像白炽灯那样使整个信号灯头失效。

LED交通信号模块的主要问题是造价仍然显得高些，以12英寸的TS-AlGaAs红色LED交通信号模块为例，最早应用于1994年，其造价为350$，而到1996年性能更好的12英的AlGaInP LED交通信号模块，造价则为200$。预计今后不会很久，InGaN蓝绿色LED交通信号模块的价格将可与AlGaInP相比。白炽交通信号灯头的造价虽低，但耗电量大，一个直径12英寸的白炽交通信号灯头的耗电量为150W，横过马路人行道的交通警示灯的耗电量为67W，据计算，每个十字路口的白炽信号灯每年的耗电量为18133KWh，折合每年电费为1450$;然而LED交通信号模块则非常省电，每个8-12英寸的红色LED交通信号模块耗电量分别为15W和20W，十字路口拐弯处的LED标志可用箭头开关显示，耗电量仅有9w，据计算，每个十字路口每年可省电9916KWh，相当每年节省电费793$。按每个LED交通信号模块的平均造价200$计，红色LED交通信号模块仅用其节省的电费，3年后即可收回最初的成本造价，并开始不断得到经济回报。因此目前使用AlGaInP LED交通信息模块，尽管造价显得地，但从长看，还是合算的。

大屏幕显示是超高亮度LED应用的另一巨大市场，包括:图形、文字、数字的单色、双色和全色显示。 在表2中列出了LED显示的各种用途。传统的大屏幕有源显示一般采用白炽灯、光纤、阴极射线管等;无源显示一般采用翻牌的方法。表3列出了几种显示的性能比较。LED显示曾一直受到LED本身性能和颜色的限制。如今，超高亮度AlGaInP、TS-AlGaAs、InGaN LED已能够提供明亮的红、黄、绿、蓝各种颜色，可完全满足实现全色大屏幕显示的要求。LED显示屏可按像素尺寸装配成各种结构，小像素直径一般小于5mm，单色显示的每个像素用一个T-1(3/4)的LED灯，双色显示的每个像素为双色的T-1(3/4)的LED灯，全色显示则需要3个T-1红、绿、蓝色灯，或者装配一个多芯片的T-1(3/4)的LED灯作为一个像素。大像素则是通过把许多T-1(3/4)红、绿、蓝色LED灯组合在一起构成的。用InGaN(480nm)蓝、InGaN(515nm)绿和ALGaAS(637nm)红LED灯作为LED显示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有较大的颜色范围包括:蓝绿、绿红等，与国际电视系统委员会(NTSC)规定的电视颜色范围基本相符。