1.LED極限參數的意義

（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發熱、損壞。

（2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。

（3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發光二極管可能被擊穿損壞。

（4）工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發光二極管將不能正常工作，效率大大降低。

2電參數的意義

(1)光譜分布和峰值波長：某一個發光二極管所發之光并非單一波長，其波長大體按圖2-1所示。由圖可見，該發光管所發之光中某一波長λ0的光強最大，該波長為峰值波長。

(2)發光強度IV：發光二極管的發光強度通常是指法線（對圓柱形發光管是指其軸線）方向上的發光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發光1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發光二強度小，所以發光強度常用坎德拉(mcd)作單位。

(3)光譜半寬度Δλ:它表示發光管的光譜純度。是指圖2-1中1/2峰值光強所對應兩波長之間隔。

(4)半值角θ1/2和視角：

θ1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向（法向）的夾角。 圖2-2   不同型號LED光強分布

半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。

圖2-2給出的二只不同型號發光二極管發光強度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標為相對發光強度（即發光強度與最大發光強度的之比）。顯然，法線方向上的相對發光強度為1，離開法線方向的角度大，相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。

(5)正向工作電流If：它是指發光二極管正常發光時的正向電流值。在實際使用中應根據需要選擇IF在0.6·IFm以下。

(6)正向工作電壓VF：參數表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時測得的。發光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時，VF將下降。

(7)V-I特性：發光二極管的電壓與電流的關系可用圖2-3表示。在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時，電流極小，不發光。當電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數。正向的發光管反向漏電流Ir<10μA以下。

圖2-3   LED的V-I特性曲線

2.2:LED的分類

按發光管發光顏色分

按發光管發光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。

根據發光二極管發出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發光二極管適合于做指示燈用。

按發光管出光面特征分

按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國外通常把φ3mm的發光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。

由半值角大小可以估計圓形發光強度角分布情況。

從發光強度角分布圖來分有三類：

(1)高指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。

(2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。

(3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。

按發光二極管的結構分

按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。

按發光強度和工作電流分

按發光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發光強度<10mcd）；超高亮度的LED（發光強度>100mcd）；把發光強度在10～100mcd間的叫高亮度發光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發光管相同）。

按發光波長分

發光二極管依發光波長分為可見光發光二極管(波長450~680nm) 與不可見光發光二極管(波長850~1550nm)兩大類。若以其使用的磊晶層材料可進一步分為二元化合物(如GaAs、GaSb、GaN 等)、三元化合物( 如AlxGa1-xAs 、AlxGa1-xP 、In1-xGaxAs 等) 、四元化合物( 如AlInGaP、InAlGaAs、AlxGa1-xAsyP1-y 等)及GaN 系化合物四大類。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類等按功能分類的。

2.3:LED的使用說明

2.3.1焊接

焊接溫度在260℃左右，時間控制在5S以內，焊接點離膠體底部在2.5mm以上，電烙鐵一定要接地。請勿帶電焊接LED。通電情況下，避免在80℃以上高溫作業，如有高溫作業一定要做好散熱。

2.3.2靜電

所有與藍、綠、紫、白LED相關作業人員一定要做好防靜電：如帶靜電環；穿靜電衣；穿靜電鞋等。帶有線靜電環時，靜電環一定要接地，并且地線與市地線電位差不要超過5V；或者阻抗不要超過25Ω。作業機臺與作業面均需加裝地線。

2.3.3 LED的工作電流

使用LED時電流最好不要20mA，最好使用15-19 mA。

2.3.4 LED安裝位置

器件不可與發熱組件靠得太近，工作條件不可超過其規定的極限。

2.3.5 LED的清潔

如需清潔LED時，建議用超聲波清洗LED，如暫時沒有超聲波清洗機可暫用酒精代替，但清洗時間不要超過1分鐘。

特別強調：不要用有機溶濟（如丙酮，天那水）清洗或擦洗LED膠體，會造成不發光或膠體內部破裂，導致LED內部金線與芯片過激破壞。

2.3.6 LED的彎腳處理

LED在彎腳或拆腳時請不要離膠體太近，應與膠體保持2mm以上的距離，否則會使LED里面支架與金線分離；管腳在同一處的折疊不要超過3次，管腳彎成90°，再回到原位置為1次。

2.4 LED的連接形式

   LED作為驅動電路的負載，經常需要幾十個甚至上百個LED組合在一起，構成發光組件，LED負載的連接形式直接關系到其可靠性和壽命。

(1)串聯連接形式：即將多個LED的正極對負極連接成串，其優點通過每個LED的工作電流一樣，一般應串入限流電阻R，如圖2-4(左邊)的電路，則：Vcc=If×R+ΣVfn，If=(Vcc-ΣVfn)/R。假定為N=8的GaAs材料LED，設計正向電流If=20mA為目標值，單個LED正向電壓Vf=2.0V，則VD＝8×Vf=16.0V ，VR＝If×R＝20mA×200Ω=4.0V，Vcc=VD+ VR=20.0V。

圖2-4   LED的串聯，并聯與混聯電路

當單管Vf離散性較大時，假設VD=15.6～16.4V時，則對應VR=4.4～3.6V，很容易計算If=22mA～18mA，可以得出單個LED光強變化量在10％以內，基本上保持發光組件亮度均勻。當出現一個LED短路時，VD=14V 則VR=6V；If=VR/R=30mA，實際上由于單管短路造成If上升，單管Vf隨If的增加而增加，VD應高于14V，則VR小于6V，燈串電流應小于30mA，具體電流值與所采用不同的LED單管有關，實驗中測量為28mA左右；當出現一個LED開路時，將導致這串8個LED熄滅，從原理上LED開路的可能性極小，但整串熄滅的風險還是存在。

（2)并聯連接形式：即將多個LED的正極與正極、負極與負極并聯連接（如圖2-4中間），其特點是每個LED的工作電壓一樣，總電流為ΣIfn，為了實現每個LED的工作電流If一致，要求每個LED的正向電壓也要一致。但是，由于器件之間特性參數存在一定差別，且LED的正向電壓Vf隨著溫度上升而下降，不同LED可能因為散熱條件差別，而引發工作電流If的差別，散熱條件較差的LED溫度上升也較大；正向電壓Vf下降也較大，造成工作電流If上升，而工作電流If上升又加劇溫升，如此循環可能導致LED燒毀。因此LED一般不采用直接并聯的方式；如要采用LED直接并聯的方式，應考慮器件和環境差別等因素對電路的影響，設計時要有預留量，如因要與電源電壓相配合則可在每個LED中串聯合適的電阻，可降低LED被燒毀的風險。

（3）LED的混聯形式

圖2-4右邊為先串聯后并聯混合連接構成的發光組件。對于單組串聯LED來講，即使由于器件和使用條件的差別，導致單組中個別LED芯片喪失PN結特性，出現短路或開路的情況，只是在單組中的LED工作電流If發生變化，對整個并聯電路來說變化相對較小，不至于使整個發光組件失效。因此說這種連接形式的發光組件可靠性高，并且對LED的要求也較寬松，適用范圍大，不需要特別挑選LED，整個發光組件的亮度也相對均勻。在工作環境因素變化較大情況下，使用這種連接形式的發光組件效果較為理想，目前在大量照明實例中大多數采用該連接方式。用多顆LED組成一個發光面時，應盡量用同一發光亮度的LED去組合，但在無法保證得到相同發光亮度時，實踐證明配備的原則是中間用發光亮度稍小的LED，而周圍用發光亮度較大的LED，這樣的配置能使整個發光面看起來較勻稱。

圖2-5   LED交叉陣列形式連接圖

（4）交叉陣列形式

為了提高LED照明電路的可靠性，降低滅燈的幾率，人們又設計了許多新的連接方式，交叉陣列形式就是其中比較新穎的一種。交叉陣列形式如圖2-5所示，每串以3只LED為一組，其共同電流輸入來源于a、b、c串，輸出也同樣分別連接到a、b、c串，構成交叉陣列形式。這種交叉連接方式的目的是，即使個別LED開路或短路，也不至于造成發光組件整體失效。

當有一顆LED品質不良短路時，不管采用穩壓式驅動還是恒流式驅動，并聯在這一路的LED將全部不亮，如果是采用恒流式LED驅動，由于驅動器輸出電流保持不變，除了并聯在短路LED的這一并聯支路外，其余的LED正常工作。假設并聯的LED數量較多，驅動器的驅動電流較大，通過這顆短路的LED電流將增大，大電流通過這顆短路的LED后，很容易就變成斷路。由于并聯的LED較多，斷開一顆LED的這一并聯支路，平均分配電流不大，依然可以正常工作，哪么整個LED燈，僅有一顆LED不亮。

　　 如果采用穩壓式驅動，LED品質不良短路瞬間，負載相當少并聯LED一路，加在其余LED上的電壓增高，驅動器輸出電流將大增，極有可能立刻損壞所有 LED，幸運的話，只將這顆短路的LED燒成斷路，驅動器輸出電流將恢復正常，由于并聯的LED較多，斷開一顆LED的這一并聯支路，平均分配電流不大，依然可以正常工作，哪么整個LED燈，也僅有一顆LED不亮。

　　通過對以上分析可知，驅動器與負載LED串并聯方式搭配選擇是非常重要的，恒流式驅動功率型LED是不適合采用并聯負載的，同樣的，穩壓式LED驅動器不適合選用串聯負載。

2.5 LED的未來發展趨勢

固態照明市場誘人

陳良惠院士算過一筆賬：2003 年，全國發電量為 1.91 萬億千瓦時（度），其中照明用電占 12 ％，即 2292 億度。按照每年增長 5 ％計算，到 2010 年，照明用電可達 3225 億度。按照同樣亮度下固態照明用電僅為白熾燈的十分之一、并取代三分之一的白熾燈計算，屆時可節約照明用電約 1000 億度。三峽工程總工期 17 年，全部建成需 20 年，靜態、動態投資合計為 3000 億元，建成后年均發電量 846.8 億度。而用 15 年時間，投資 50 億至 100 億元發展固態照明產業，相當于僅用三峽工程 5 ％的投入再造一個“綠色三峽工程”。在美國能源部設立的半導體照明國家研究項目中，給固態照明描繪了美好的前景：2010 年有 55 ％的白熾燈、熒光燈被取代， 2025 年使美國照明用電（現為 6000 億度）減少一半；從 2000 年到 2020 年，使用固態照明可累計減排2.58 億噸碳污染物，少建133 座100 萬千瓦的電站，節約開支 1150億美元，形成每年500億美元的光源產業，還帶來數以百萬計的高質量工作機會。日本計劃2006年用半導體燈大規模取代白熾燈，節電相當于一兩座核電站的發電量，每年可以節省 10 公斤以上的原鈾消耗。雖然固態照明要真正進入通用照明市場，在技術和成本上還要有重大的突破，這需要大量投資和長期努力。但它的預期市場魅力無法抗拒，難怪各國紛紛啟動國家項目給予引導和支持。

固態照明發展強勁

中國科學院早在上世紀60年代就開展發光科學的研究，80 年代走向生產，直到本世紀初才形成規模。2002 年我國發光二極管（ LED ）生產企業數達420家，員工3萬余人，產量150 多億支，產值80多億元；去年產量達200億只，產值100多億元，增速超過30 ％，其中超高亮度發光二極管產量幾十億只，增速超過50％。我國早期只是引進管芯進行封裝，屬勞動密集型產業；上世紀末，從引進外延片進行加工，發展為技術含量較高的外延片的研發和小批量生產。目前，固態照明在我國還需要強力支持。去年，大連路明集團建立的我國第一家生產高品質發光二極管的大連路美芯片科技有限公司投產，使我國成為繼美、日之后第三個擁有 LED 核心技術并實現產業化的國家，還并購了世界LED 四強之一 ——美國 A&T公司的光事業部，使我國的半導體照明產業跨入世界的前列。目前我國半導體照明技術與國際先進水平相比，差距僅有幾年。以現有的技術和產業基礎，有望通過整體推進，最終形成有核心競爭力的固態照明產業。

固態照明離民用照明的使用還有兩方面的障礙，一是光電轉化效率較低，目前是25流明（光通量的單位）／千瓦，雖高于白熾燈，但是低于日光燈的85 流明／千瓦，要達到民用照明的經濟性要求，需提高到160 流明至200 流明／千瓦；二是價格較高，是白熾燈的十幾至幾十倍，日、美、歐盟等啟動的半導體照明計劃，主攻方向之一就是降低造價，他們提出的讓半導體燈大規模替代白熾燈的時間表，大致為2008 年和2010年。

隨著固態照明技術的不斷完善，白熾燈最終將被代替的趨勢已經不可避免。節能、長壽命、免維護、易控制、環保，半導體燈有著這么多的優點，我們還有什么理由拒絕它的到來呢？

2.6全球白光LED研制進展

白光LED分單芯片、雙芯片和三芯片，以下將按這一分類介紹：

單芯片

InGaN(藍)/YAG熒光粉

這是一種目前較為成熟的產品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量產品。這些產品采用芯片倒裝結構，提高發光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進，可將色均勻性提高10倍。實驗證明，電流和溫度的增加使LED光譜有些藍移和紅移，但對熒光光譜影響并不大。壽命實驗結果也較好，Φ5的白光LED在工作1.2萬小時后，光輸出下降80%，而這種功率LED在工作1.2萬小時后，僅下降10%，估計工作5萬小時后下降30%。這種稱為Luxeon的功率LED最高效率達到44.3lm/w，最高光通量為187lm，產業化產品可達120lm，Ra為75-80(Ra為顯色指數)。

InGaN(藍)/紅熒光粉+綠熒光粉

Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(綠色)和SrS：Eu2+(紅色)熒光粉，色溫可達到3000K-6000K的較好結果，Ra達到82-87，較前述產品有所提高。InGaN(紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉

Cree、日亞、豐田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生產出50mW、385nm—405nm的紫外LED；豐田已生產此類白光LED，其Ra大于等于90，但發光效率還不夠理想；日亞于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，會有較好效果。

ZnSe和OLED白光器件也有進展，但離產業化生產尚遠。

雙芯片

可由藍LED+黃LED、藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成，此種器件成本比較便宜，但由于是兩種顏色LED形成的白光，顯色性較差，只能在顯色性要求不高的場合使用。

三芯片(藍色+綠色+紅色)

Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色溫可達

3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，則缺少黃色調，Ra只能達到20或30。omj1U采用波長補償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程度。美國TIR公司采用Luxeon RGB器件制成用于景觀照明的系統產品，用Lumileds制成液晶電視屏幕(22英寸)，產品的性能都不錯。

四芯片(藍色+綠色+紅色+黃色)

采用465nm、535nm、590nm和625nm LED芯片可制成Ra大于90的白光LED。此外，Norlux公司用90個三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每個器件光通量達130lm，色溫為5500K。

照明用白光LED技術指標

照明用白光LED不同于傳統的LED產品，在技術性能指標上有一些特殊要求：

光通量

一個Φ5 LED的光通量僅為1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望達到1Klm。當然，光通量為0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能達到要求較低的照明需求。由于15W白熾燈效率較低，僅8lm/w，所以一個15W白熾燈的光通量，與25lm/w的白光功率LED5W器件相當。

發光效率

目前產業化產品已從15lm/w提高到25lm/w，研究水平為32lm/w，最高水平已達44.3lm/w。

色溫

在2500K-6000K之間，最好是2500K-3500K之間。

顯色指數Ra

最好是100。

穩定性

波長和光通量均要求保持穩定，但其穩定性程度依照明場合的需求而定。

壽命5萬小時至10萬小時。