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1、 LED照明基本知识及应用 IDV国际电工 目录 一 LED基本知识 二 热学基础知识 三 光学基础知识 四 LED驱动基础知识 LED Light Emitting Diode 半导体 发光二极管一种当有 一定正向电流通过时能发射出一定波长的光 即可以将电能转化为光能的半导体器件 一 LED基本知识 1 LED的定义 环氧树脂管体正极引脚 芯片反射杯负极引脚 电极引线金线塑料管壳 塑料透镜硅胶灌封芯片热沉 大功率LED 普通直插式LED封装 2 LED的基本结构LED的基本结构由芯片 金线 管体 透镜 热沉 电极引线等部分组成 金线 1 按安装方式分 直插式 LED灯 LEDLamp 食人鱼
2、LEd PiranhaLED 贴片式 2 按功率大小分 小功率LED 额定工作电流If 100mA 单芯片 大功率LED 大功率LED 额定工作电流If 100mA 单芯片 PCBLED TopViewLED SideView LED 3 按发光颜色分类 单色光LED 暖白光 Tc 3000K冷白光 3700K Tc 4300K白光 Tc 5700K R G WB C M 芯片集成COB模组 4 按芯片组合数量分类 单芯LED 多芯LED 能级跃迁 复合模型 能量 导带禁带 EgP型载流子 空穴 N型载流子 电子 价带 3 LED的发光原理1 LED的核心是芯片 它决定着LED的基本光色电特性
3、 2 LED芯片由三个基本功能区组成 P型半导体 多数载流子是空穴 N型半导体 多数载流子是电子 P型区与N型区之间的PN结 通常会形成1至5个周期的量子阱 3 当电流通过电极作用于芯片时 N型区的电子和P型区的空穴被推向PN结 在多量子阱内电子跟空穴复合 复合所产生的能量以光 有效复合 和热 无效复合 的形式释放 这就是LED发光的基本原理 电学模型 If 电子 V 光子 Vf 300 400 500 600 700 800 nm 紫外发光二极管发出的光的颜色由其中的化学物质决定 制造LED的材料不同 可以产生具有不同能量的光子 藉此可以控制LED所发出光的波长 也就是光谱或颜色 所以就是制
4、造LED的材料和电流来决定发光的光波 4 半导体材料的特性决定着LED的光电参数 3 蓝色芯片 黄色荧光粉 YAG TAG 硅酸盐 白光 1 RGB三基色芯片混色白光 或BY双芯片互补混色白光 2 UV芯片 RGB荧光粉白光 5 LED的白光生成原理 6 LED的优点 节能 环保 寿命长 响应快 安全 灵活 继煤油灯 白炽灯 气体放电灯之后的第四代革命性照明光源 7 LED应用 1 常规系列 2 感应系列 1 1962年 GE Monsanto IBM的联合实验室开发出GaAsP红 光 LED 0 1lm W 2 1968年 利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm W 并能发出红光
5、橙光和黄色光 3 1971 具有相同效率的GaP绿色LED出现 4 80年代早期 开发出AlGaAsLED 5 1990年 HP公司开发出AlInGaPLED 6 1994年 日本科学家中村修二发明GaN蓝光LED 7 20世纪90年代后期 研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED 8 LED的发展历史 lm W 发光效率 未加滤光的白炽灯加黄色滤光的白炽灯加红色滤光白炽灯10倍提升 10年LED发光效率的进展 二 热学基础知识 1 为什么要做热学设计 由于受整个LED产业链的各种技术制约 目前大功率LED使用中只有20 左右的电能以发光的形式表现出来 而其余80 的电能都转化成为热能
6、而这些热能对LED会产生致命的损伤 所以如何能让LED在照明过程中产生的热量及时有效的传导出来 从而使LED保持长时间的持续可靠工作 也是目前LED灯具应用的关键技术 2 结温对LED的影响 1 发光强度降低 随着芯片结温的增加 芯片的发光效率效率也会随之减少 芯片结温越高 发光强度下降越快 2 发光主波长偏移 当LED的温度升高时 LED的波长的大致变化规律为每升高10度 波长红移1nm 主波长的变化将会引起混色效果的变化 还会偏移黄色荧光粉的激发峰值 致使转换效率下降 3 严重降低LED的寿命 加速LED的光衰 LED相对光输出随结温的变化曲线 a 是CREE公司生产的X Lamps系列产
7、品 b 是LUMILEDS公司生产的LUXEONK2系列产品 LUMILEDS生产的LUXEONK2系列产品结温与寿命的关系 LED结温与寿命关系曲线 3 散热方式 1 按热的传导方式有三种 对流 传导 辐射 对流是指透过热的物质的运动来实现热的传递 这意味着 热能是来自于被气体或者液体所包围热源 透过分子的移动来实现热能的传递的 根据对流的散热的方式又分为自然对流和强制对流 传导是指分子之间的动能交换 能量较低的粒子和能量较高的粒子碰撞从而获得能量 是透过物理的直接接触 单独的一块散热片是不能实现热能的传导的 传导是散热片从芯片获得热量的最主要途径 辐射是指热能从热源以电磁的形式 由光子传送
8、 直接发散出去 辐射可以在真空中进行 辐射的传热效能取决于热源的材料以及表面的颜色 2 按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种 主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走 其特点是散热效率高 而且设备体积小 被动式散热就是通过散热片将热量自然散发到空气中 因为是自然散发热量 效果不是很好 其散热的效果与散热片大小成正比 其最大的优点就是不需额外耗电 而且不用担心有风扇坏掉的危险 在LED灯具中这种散热方式最常用 4 散热片常用材质 各种金属材料以及常用合金热传导系数 银 429W mk铜 401W mk金 317W mk铝 237W mk 1070型铝合金 226W
9、 mk1050型铝合金 209W mk6061型铝合金 155W mk6063型铝合金 201W mk 从以上数值可以看出银和铜是最好的导热材料 其次是金和铝 但是金 银太过昂贵 所以 目前散热片主要由铝和铜制成 其中又由于铜密度大 工艺复杂 价格较贵 所以现在通常的风扇多采用较轻的铝制成 5 其它常见的散热技术 散热片散热热管散热 均热板散热半导体制冷风扇散热水冷散热 散热片与铝基板之间传热主要通过传导途径 主要通过散热片与铝基板之间的直接接触实现 导热硅脂的意义在于填充二者之间的空隙接触出更加完全 保证导热性 而由于硅油对温度敏感性低 低温不变稠 高温下也不会变稀 而且不挥发 所以能够使用
10、比较长时间 1 导热硅脂 导热 粘接 密封 特点和用途 良好的热传导性 提高敏感电路及元器件的可靠性 延长使用寿命 耐候 耐化学腐蚀 耐热 户外运用可免除紫外光 臭氧 水分和化学品的不良影响 广泛用于电子 电器等行业的弹性粘接 导热及密封 导热硅胶片 2 导热硅胶片特点和用途 良好的热传导性与绝缘性 解决集成芯片不易散热的主要问题 只须将其附与发热芯片上 同金属散热块有相同效果 绝缘 减震 抗冲击 工作温 湿度范围广 40 150 产品为片状形式可任意裁切 使用简单 6 铝基板与散热器的连接 三 光学基础知识 一 光的基本概念 光在介质中传播 是能量的一种形态 是电磁波的一种 与无线电波和视频
11、波相同 是整个电磁波谱中极小范围的一部分 当光进入人眼时将产生视觉感受 人们这才感受到多彩的世界 光的强弱是一种感觉现象而取决于人眼的灵敏度和它本身的特性 电磁辐射谱 能够引起人眼视觉部分380nm 780nm LED光谱图 各种颜色光谱分布 常见七种光色与波长对照表 峰值波长 无论什么材料制成的LED 都有一个相对光强度最强处 光输出最大 与之相对应有一个波长 此波长叫峰值波长 用 p表示 只有单色光才有 p波长 谱线宽度 在LED谱线的峰值两侧 处 存在两个光强等于峰值 最大光强度 一半的点 此两点分别对应 p p 之间宽度叫谱线宽度 也称半功率宽度或半高宽度 主波长 有的LED发光不单是
12、单一色 即不仅有一个峰值波长 甚至有多个峰值 并非单色光 为此描述LED色度特性而引入主波长 主波长就是人眼所能观察到的 由LED发出主要单色光的波长 单色性越好 则 p也就是主波长 如GaP材料可发出多个峰值波长 而主波长只有一个 它会随着LED长期工作 结温升高而主波长偏向长波 发光波长及其光谱特性 谱能量分布图 日光光谱能量分布图三基色荧光灯光谱能量分布图 真彩荧光灯光谱能量分布图白光LED光谱能量分布图 几种常用光源的光 二 常用光学术语1 光通量 光通量 LuminousFlux 能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小 单位为lm 2 光强 光源在某一给定方向的单位立体角
13、内发射的光通量 称为光源在该方向的发光强度 简称光强 单位 坎德拉 cd 3 照度 照度 Illuminance 表面上一点的光照度是入射在包含该点的面元上的光通量d 除以该面元面积dA 照度的公制单位是lx lm m2 4 亮度 luminance 亮度 Luminance 在给定方向上 每单位面积上的发光强度 亮度的公制单位是cd m2 也称Nit 眼 灯具 光通量 光强 照度 亮度对象物 光通量 光强 照度 亮度之间的关系 眩光 对比眩光 失能眩光 光源太近 光线太亮 镜面 金属面 光漆面 成像屏幕反射眩光视觉适应后 增加光源或增大亮度 5 眩光眩光 由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适
14、宜 或存在极端的对比 以致引起不舒适感觉或降低观察目标细部能力的视觉现象 统称眩光 对比过大 光源较近 值 光源效率 lm w 流明 lm 耗电量 w 即每一瓦电力所发出的量 其数值越高表示光源效率越高 所以 对于点灯时间较长的场所 如办公室 走廊 隧道等 光源效率通常是一个重要的考虑因素 综合效率 lm w 流明 lm 系统耗电量 w 6 光源效率 光源效率是以其所发出的光的流明除以其耗电量所得之 7 显色指数光源对物体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的再现较好 我们所看到的颜色也就较接近的自然原色 显色性低的光源对颜色的再现较差 我们所看到的颜色偏差也较
15、大在光源照射下的色彩的再现度的数值表示以Ra100为基准光 数值越低 与基准光差异越大 显色指数分类 8 色温 一个黑体被加热到一定的温度时开始发出暗红色光 温度再升高光的颜色变成黄白色 白色 兰白色 我们把发出某颜色光时物体的温度称为该颜色的色温 冷的气氛爽快的气氛稳重的气氛 清凉中间 白 温暖 5700K3700 4300K 3000K 气氛效果 光 色 色 温 应用场所举例 RRRLRD 常用字母 低色温的是暖色 高色温的是冷色 不同色温的应用场所 高照度场所 客厅 白天需补光场所用RR为佳 显得大气 办公室 教室 阅览室 显得平和 卧室 客房 酒吧 餐厅显得温馨且对眼睛保护有利 100
16、00K 早晨的阳光 偏蓝的光 6000K5000K2000K 中午的阳光下午的阳光黄昏的阳光 偏红的光 自然光 9 CIE色度图 国际照明委员会 简称 CIE 的色度图发展于1931年 是以科学化方法标示颜色的规范之一 它表明了某一光源的顏色或在給定照明情況下物体表面所反射的光的顏色 黑体轨迹线 黑体的色温值分布于CIE 色三角形并形成一条曲线 即黑体轨迹线 也被称作普朗克轨迹 任何具有光谱能量分布的类似黑体的光源都会在普朗克轨迹上找到它对应的色温 ThankYou 照明源 被照物 人眼 电源光源灯具控制器 吸收反射透射光泽度 生理效应视见函数大脑心理效应 光洁度能源管理光谱特性生物效应 照明的三大要素 1 配光曲线的定义 配光曲线又叫发光强度分布曲线 三维空间里用矢量表示 把矢量的终端连接起来 构成封闭的光强体 当光强体被通过z轴线的平面截割时 在平面上获得一封闭的交线 此交线以极坐标的形式绘制在平面图上 就是灯具的配光曲线 10 灯具的配光曲线 LED照明四种基本配光手段 2 配光曲线表达方式配光形式一般用 极坐标和直角坐标形式表达 极坐标方式表达 直角坐标方式表达 3 配光种类
