照明硬件基础知识（四）—— LED灯（半导体光源）工作原理及关键参数
时间：2022-10-22 20:00:00
随着人类的不断探索和发明，人类在20世纪初进入电子信息时代，这一切都归功于一种材料–半导体，半导体是指导体与绝缘体之间的材料，如硅。在使用半导体的过程中，科学家们发现通电的半导体也能发光，科学家们利用这一特性发明了发光二极管。最早的LED直到1993年，日本科学家赤崎勇的团队发明了蓝色，只能发出红光和绿光。LED，红、绿、蓝三基色聚集，使红、绿、蓝三基色聚集在一起LED照明可能会产生白光。
LED归根结底，灯二极管，它的发光原理还是离不开的PN结，在通电条件下，N电子和P型半导体中的空穴在剧烈碰撞复合时产生光子。不同的PN材料会产生不同颜色的光，如砷化镓（GaAs）红光，磷化镓（GaP）绿光，氮化镓（GaN）发绿光。除了白色LED外，常见的红、绿、蓝色LED可直接发出相应颜色的光。白色LED还有荧光粉，可以通过蓝光或紫光刺激黄色荧光粉获得白光，当然也可以通过三基色获得LED组合得到白光。
由于单纯的LED芯片体积小，脆弱，直接使用不方便，目前常见LED灯珠将根据不同的应用场景与光学结构、电极、散热结构和树脂密封。为了更好地应用LED，还需要知道LED各种参数。
１）LED的光学参数
a) 光通量
人眼对不同波长光的视觉敏感性不同，因此光源辐射的能量不能简单地用来衡量人眼感知的光效果，而必须用人眼对光的相位 测量感觉量，即光通量。光源的光通量越大，人眼感觉就越明亮。光通量定义为380-780nm可见光范围之间 的光源辐射出来的总能量，单位为流明（lm）。
b) 发光效率
发光效率是指光源发出的光通量除以输入其总功率值，单位为流明/瓦（lm/W）。这是衡量光源节能性能的重要指标之一。
c) 发光强度
发光强度（I）指点光源在给定方向单位球面角度内发射的光通量，单位为坎德拉（cd）。很大LED圆柱形、半球形 包装，具有凸透镜的作用，具有很强的方向性，即法向量的发光强度最强，偏离法向量的不同角度，发光强度也会相应变化。
d）照度
照度（E）指单位面积上的光通量，单位为勒克斯（Lx），即流明/平方米，照明是衡量物体表面被光源照亮的程度。
e）峰值发光波长和光谱分布
LED灯发出的光不是单波波长。LED不同的材料和结构类型，有些LED波长分布对称，有些不对称。下图是市场上的一个LED灯珠的光谱分布图。虽然不同LED光谱分布曲线不同，但都有相对最大的发光强度。发光强度峰值的波长称为 峰值发光波长。
f) 发光亮度
发光亮度（L）坎德拉/平方米是指在给定方向上投影发光体表面单位的发光强度。
g)寿命
LED光输出会随着工作时间而衰减。一般来说，一开始衰减很快，后来衰减。通常，光输出衰减到一定比例的初始值的时间称为LED的寿命，单位为h。
２）LED的光电特性
下图是目前市场上的一个LED灯珠LED灯珠的光电特性。从图中可以看出，LED发光亮度L与正电流成正比。LED可以看出，发光亮度与光通量成正比，因此这意味着控制LED灯的正电流可以控制光输出，这是我们的应用LED灯很重要。
３）LED的伏安特性
LED虽然是发光器件，但其核心仍然是PN具有与普通二极管相同的伏安特性曲线，也具有单向导电性和非线性特性。由LED伏安特性曲线，LED灯的导通有门限电压，只有LED当两端电压大于开启电压值时，LED导通。同时，我们知道电压的小变化会导致电流的大变化，LED光输出与正电流基本成正比，因此在实际应用中，恒流源驱动通常倾向于使用LED。
４）LED的热特性
当电作用与LED的PN一部分电能转化为光能，另一部分转化为热能。LED热能不会像白炽灯那样通过光辐射，所以LED需要一个散热通道，否则热能集聚会在那里PN结上会导致LED不能正常工作。LED结温是我们需要注意的重要指标。结温的计算公式是 T J ＝ T A ＋ R J ＊ P T_{J}＝T_{A}＋R_{J}＊P TJ＝TA＋RJ＊P ，其中
