大功率发光二极管在信号灯方面的应用

摘要：本文介绍了道路交通信号灯的发展趋势，并着重讨论了大功率LED用作信号灯光源的优势和前景。
关键词：大功率 LED 效率 寿命
引言
随着经济的发展，生活水平的提高，人们也越来越讲究生活的质量，交通作为衣食住行中的一部分，与人们的生活息息相关，改善路况，拓宽道路，铺设高等级公路，以及小车的普及，都会导致车速提高，车流量过多的状况。而道路交通信号灯（以下简称信号灯）作为一种交通信号，在交通中起着指挥和引导的作用，是一种必不可少的设施，交通信号灯性能的好坏在交通诱导中起着极其重要的作用。
1.LED简介
LED（Light Emitting Diode）是一种场致发光光源，是将电能直接转化为光能的半导体器件。其电特性和普通的二极管是一致的，而其发光原理是在P-N结两端加上正向电压，则P区中空穴会流向N区；而N区中的电子会流向P区。然后，随着小数载流子和我数载流子的重合放出能量；其中，一部分能量转化为热，另一部分转化为光。
LED早在三十多年前就已问世，由于当时制造技术的限制，其发光亮度小，且只有红色一种颜色，因此很长一段时间内仅用于小指示器光源和字母数字显示器等有限领域中。随着科学技术的发展，LED的性能逐步提高，例如光效的提高，使其发光亮度增加，过去，诸如上个世纪70年代初，GaP红色LED光效仅为0.4lm/W ；80年代中期，AlGaAs 红色LED光效上升到约1.1lm/w ；而90年代中期后，新材料 AlInGaP给LED技术带来了巨大突破，使红色和琥珀色LED的光效提高到10-20lm/W ，与目前广泛应用于信号灯的白炽灯相近，甚至更好。随着宽禁带半导体材料的迅速发展，这些电子材料（主要包括SiC ZeSe  金刚石 和GaN 等）带动了LED的进一步发展，利用GaN特有的禁带宽度可以制作成蓝色和绿色；而随着由气相形成的化合特半导体薄膜技术的改进，有机化学气相沉积（MOCVD）技术取得了很大的进展，用该方法制造的LED，不仅发光强度有了显著提高，并且增加了颜色的变化范围，改变了LED仅有红色系列的局面，为LED在各个领域中的进一步发展消除了一大障碍。
由于LED的光效提高到与白炽灯相近，并且增加了颜色的变化范围，使其具有了成为信号灯光源的基础，而其响应时间短、发热低、能耗低以及寿命长、维护费用低等优势，马上使LED在信号灯中有了大量应用。随着光学设计的不断改善，加上LED光效不断提高，信号灯需要使用的LED管数也从一开始的四、五百只降到现在的一百来只，甚至几十只。
 近年来，随着大功率LED封装技术的发展，减少LED结点与插脚间的热阻抗，把封装外壳做成扁平，从而通过缩短结点与插脚之间的距离，来缩短传输的距离。同时，引线支架的直径更大，引脚增大，并使用热传导性能较好的材料制作，能使热量更快地散发出来，使用能耐高温的环氧树脂，解决了高温和散热问题，因此可以利用大芯片进行封装，致使其工作电流可由一般的20mA增大到 350mA、700mA甚至1000mA，其功率可以达1W、3W、甚至5W。这种封装结构的辐射形视角很宽，不象一般LED需对由基片出射的大部分改变方向，因此该LED的光学效率也较高。因此信号灯使用的LED管数只需十几只，甚至几只。
2.一般LED与大功率LED在信号灯中应用对照
① 使用材料不同：一般使用环氧树脂作为安装板，而大功率LED需要使用铝基线路板（MCPCB）；
② 生产工艺不同：一般LED使用波峰焊机或手工焊均可，而大功率LED需要使用贴片焊机；
③ 配套的电子元件不同：因为焊接工艺不同，因此与一般LED配套的电子元件也是需要使用波峰焊机或手工焊的一般元件，而与大功率LED配套的电子元件都需使用贴片元件；
④ 自动化程度不一样：由于生产工艺不一样，贴片式生产的自动化程度高，可以使用流水化生产线，而一般LED和一般元件由于外观、结构差异较远，因此有相当一部分工作如插管等都需手工完成，这样导致两者加工所需的工时也不一样。