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1、LED基础及运用,什么是LED,什么是LED-LED发光原理,LED：light emitting diode-发光二极管。 LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。 当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。 如下图，在电动势的作用下，电子对从能量高的能级跳跃到能量低的空穴，据能量守恒，多余的能量以光和热的形式释放出。,LED光源的优点,传统照明光源 白炽灯 卤素光源 荧光光源 气体放电光源,发光二极管(LED) 长寿命 能源转换效率高 数字化调光调色 体积小 (设计自由度高) 方向性光源 固态光源/抗震性强 启动迅速 无红外/紫
2、外光线 低电压 不含汞/水银,Less Weight,Lifetime Reliability,Recycling and Disposal,Energy Consumption,Hazardous Substances,LED产品产业链,半导体行业,基础材料行业,LED灯具系统概念,考核：认证、测试,光与色-LED光源分类,SMD：它是Surface Mounted Devices的缩写，意为：表面贴装器件，它是SMT(Surface Mount Technology 中文:表面黏著技术）元器件中的一种，可以进行回流焊，适合于自动化大规模生产 小功率LED一般为单颗0.2W以下，常见的有 3
3、528 / 3014 / 5050 中功率LED一般为单颗0.2W0.5W，常见的有5630 / 2323 / 3030,功率型LED一般为单颗1W以上，典型驱动电流多为350mA，比如Cree XP-E最大驱动电流可以1000mA，XP-G最大驱动电流可以达到1500mA，而XM-L最大驱动电流则可以3000mA。,光与色-LED光源分类,COB:将多个芯片高密度地集成在一起封装而成的功率型LED。可以获得较高的光通量，可以获得比较好的颜色一致性，不需要SMT贴片和回流焊焊接，尺寸较小，灯具外观设计变得容易。,光与色-LED光源分类,光与色-LED基础参数,波长 (Wavelength )
4、光是一种电磁波 波长决定光的颜色 可见光的波段从紫光(约 380nm )到红光(780nm ) 不可见光的波长 * 红外线长于 780nm * 紫外线短于 380nm,光与色-LED基础参数,I-V特性 具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电 阻，反之为高接触电阻。 正向电压（VF):通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间 产生的电压降。 反向电流(IR):加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过 LED的电流。,光与色-LED基础参数,光通量: 通过发光二极管的正向电流为规定值时，一光源所发射并 被人眼感知之所有辐射能称之为光通量。单位:流明(lm) 发光强度:
5、 光源在单位立体角内发射的光（或辐射）通量。 I=d/d。单位:砍德拉（cd） 照度: 照度是用来说明被照面上被照射的程度。 E =d/dA。单位：勒克斯（lx） 亮度:亮度也是用来表示物体表面发光强弱的物理量，被视物体发光面 在视线方向上的发光强度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的 比值，称为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。,光与色-LED基础参数,色温:当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时, 黑体的温度称为该光源的颜色温度。 黑体是内部中空开一小孔的球体，单位为开尔文（K),光与色-LED基础参数,相关色温:对于某些光源发射的光（比如气体放电灯和
6、LED)的颜色和 各种温度下的黑体辐射的颜色不完全相同(色坐标有差别).若光源发射 的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近,则黑体的温度称为该 光源的相关色温。 关于相关色温，标同一色温的光源，处在色温直线的不同位置，其颜 色不一样，给人们选择光源带来很大的问题（颜色一致性差）。,偏黄绿方向,偏蓝绿方向,偏黄方向,偏红方向,光与色-LED基础参数,显示指数:光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼 真的程度.显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接 近自然原色,显色性低的光源对颜色表现较差。,光与色-LED基础参数,色坐标:白光分色按右图 分X,Y值,而其它颜色光 按
7、波长来分.同一相关色 温组成一条直线，与黑 体轨迹相交，此直线上 任何一点的相关色温等 于交点的黑体色温。 每一个不同的色坐标点 有不同的颜色表征,CIE1931 色度图,光与色-LED白光的产生,加色原理,红+绿+蓝=白 蓝+黄=白 红+青=白 绿+品红=白,光与色-LED白光的产生,RGB三种LED波长匹配混光 蓝光LED加黄色荧光粉,光与色-LED白光的产生,几种常见的光谱分布-现阶段主流技术路线的白光LED光谱不连续,图1.太阳光光谱图,图2.白炽灯光谱,图3.紧凑型荧光灯CFL光谱,图4.RGB混光LED灯光谱,图5.InGaN LED激发黄色荧光粉白光光谱,光与色-LED光源相关特
8、性解读,LED基本尺寸-以Cree XB-D为例 （2525）,光分布-朗勃型光分布,光与色-LED光源相关特性解读,LED电性能参数 Tj 85参数 Tj：PN结的温度,光与色-LED光源相关特性解读,LED结温与光通量 关系图 Tj 85参数,LED正向电流与 光通量关系图 Tj 85参数,光与色-LED光源相关特性解读,LED Tsp与色坐标 漂移关系图 If 350mA参数,LED正向电流与色 坐标漂移关系图 Tj 85参数,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-亮度Bin,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-VF Bin 以Philips Rebel E
9、S为例 Cree公司不区分VF Bin,LED光源分Bin-Color Bin 以Cree XB-D为例 Tj 85参数,光与色-颜色一致性,如下图，以3000K为例，在ANSI要求的区域内（约7 SDCM)分成16个不同的 小Color Bin，每一个小Bin内的颜色一致性相对较好（约2 SDCM)，但是不同 的Bin区之间的颜色差异性比较大。,光与色-颜色一致性,色差图A2,色差图B4,色差图C2,我们以3000K色温为例，挑选其中的三个bin进行光色 的对比，三个bin分别为A2、B4和C2，所使用的灯具 为雷士TLED301A 30W-3000K/15导轨射灯。此款 灯具的功率为30W
10、，色温为3000K，光束角为15度。,光与色-颜色一致性,色容差：用麦克亚当椭圆（Mac Adam Eclipse）来限定颜色区域是比 较普遍的做法。如对荧光灯， 美国的Ansi C78.376-2001标准要求是 各个色温不能超过4步的麦克亚当椭圆（4-Step Mac Adam Ellipse或 4 SDCM）。IEC标准相对而言较宽，为5 SDCM。,麦克亚当椭圆,光与色-颜色一致性,MacAdam实验：制造一个装置，让受过训练的观察者在亮度为恒定的 48cd/m2下辨别两个不同的颜色。其中一个颜色是不变的，另外一个有 细微分别的颜色是变化的。要求观察者对颜色进行分辨。这个实验在色 空间
11、中选用25个点。结果发现，人眼对颜色的分辨是落在CIE 1931色 度图中的一个个椭圆中。,光与色-颜色一致性,对LED室内照明的灯具，目前最为通用的标准是Ansi C78.337-2008。其范围是沿黑体曲线将颜色分为8个四边形。如图所示，每个四边形大约与7 SDCM相近，略大于7 SDCM。,光与色-颜色一致性,在CIE 1931色度图中，离开黑体曲线，向任何一个方向偏离，颜色都会有相应的变化。人眼可以明显感觉出处于7 SDCM范围内远离的两点的颜色的不同。较为理想的情况，是将颜色控制在3 SDCM，在建筑的装饰照明，为了保证颜色一致性，甚至要求2 SDCM。,1 SDCM：人眼刚能感 觉
12、到色差（50%观察者 觉察，50%没有察觉） 2 SDCM：90%观察者 在白色背 景下能看到 色差 4 SDCM：在非白色的 背景下，色差不明显,光与色-颜色一致性,色容差的计算： K：代表步数，比如7SDCM 代表 7步色容差 x，y：代表x值与y值与中心点的差。 G11，G12，G22： 代表光色范围的常数,注：表中G11，G12，G22需各乘以10的4次方,光与色-颜色一致性,对于LED产品的色容差计算，需要将上表中的中心点（CFL)更换如下表 中不同色温所对应的中心点，目前的积分球的色容差中心点定义基本都 按照CFL的中心点设置，所以积分球所测试出来的色容差仅供参考，准 确的LED色
13、容差可根据能源之星定义的中心点和上述公式计算。,光与色-颜色一致性,对室内照明应用， Ansi C78.337-2008定义得还不够严格！,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,由上述的资料可以看出， Ansi C78.337-2008所要求的色容差略大于7 SDCM，其色差是相对明显的，如上面看到的301的导轨射灯所用不同 的3个不同的Bin的LED所表现出来的色差非常明显。以3000K XP-E为 例，我们选用其中的9个Bin区混合使用，以此来得到较好的一致性。,混Bin的原理与RGB混Bin产生白光的原理一样，我们也可以用不同颜色表征的白光相互混合使用，混Bin就是使用色坐标的数学相对
14、迭加的原理。 如左图，对于3颗光源的灯具，我们采用A3/B2/C1的混Bin方案，首现A3和C1相迭加得到如图粉色的坐标点，然后粉色的坐标点再与B2相迭加，由于粉色坐标的权重为B2的两倍，则最终迭加得到的红色的坐标点更靠近粉色的坐标点。,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,以公司301导轨射灯为例，灯具为15PCS XPE光源，我们采用5倍的3合 一的方案进行混Bin，为了出光面的颜色也相对一致，我们选用了16个 色温Bin中的9个Bin区组合了8个混Bin方案，获得很好的颜色一致性。,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透镜,透镜,反射器,混光腔,小角度照明产品内应用 可设计出不同配光
15、方式 材料多为PMMA或者PC PMMA效率比PC略高,用于大角度照明产品 配光以轴对称性为主 较难控制配光 多为铝旋压或者塑胶镀银 角度与反射器的深度与出光 面大小有较大关系,眩光小 可用于多色混光 多用于筒灯产品 出光面的均匀度与 混光腔的深度和反 射面的斜度有较大 关系,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,折射定律,全反射定律,几何光学三大定律 光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播 光的反射定律和折射定律（Snell定律）,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,全反射式透镜：多用于射灯、天花灯产品,在透镜出光面上增加珠面： 防止出现芯片镜像 效率降低2-3% 角度将略有增加 出光
16、更加均匀、光斑效果更好,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透射式透镜： 投射式透镜利用光线折射原理改变LED中间光强的出射角度，达到 改变配光，出射均匀的目的。 透镜效率90% 主要应用在如路灯，室内基础照明灯具等需要大角度配光的场合,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,反射杯： 反射器在传统灯具中也广泛应用，根据配光要求一般为双曲线或者 自由曲面形式 因为反射器无法控制LED中心的光线，所以反射器光线控制能力较弱 效率较高92%,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,混光腔： 合理的混光腔能够取得较柔和的出光效果 出光面的颜色一致性较好 可以克服多颗光源的重影现象 无眩光的现象,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,光学元件设计与仿真,LED散热-控制结温的重要性,
