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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 LightEmittingDiode ：（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（LED Lamp） 食人鱼LEd（Piranha LED）
2、贴片式2、按功率大小分小功率LED：额定工作电流If100mA（单芯片）大功率LED：大功率LED：额定工作电流If100mA（单芯片)PCB LEDTop View LEDSideView LED3、按发光颜色分类单色光LED暖白光：Tc3000K冷白光：3700KTc4300K白光：Tc5700KRGWBCM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。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
3、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 ： 300400500600700800（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LE
4、D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的白光生成原理光源种类光效（lm/W）显色指数（Ra）色温（K）平均寿命（h）白炽灯6-1210028001000卤钨 灯2510030002000普通荧光灯7070全系列6000三基色荧光灯9380-98全系列10000节能灯6085全系列8000金属卤化物灯75-9565-923000-56008000高压钠 灯80-1202323006000-12000低压钠 灯120-20044175028000高频无极
5、灯50-70853000-400040000-80000LED(2010)100-18675-902500-800050000LED(2020)20080-1002500-80001000006.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、橙光和黄色光；3、1971，具有相同效率的GaP绿色LED出现；4、8
6、0年代早期，开发出AlGaAs LED；5、1990年，HP公司开发出AlInGaP LED；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，而这些热能对LED会产生致命的损伤，所 以如何能让LED在照
7、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XLamps系列产品 (b )是LUMILE
8、DS公司生产的LUXEON K2系列产品LUMILEDS生产的LUXEON K2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)直接发散
9、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 107
10、0型铝合金 :226W/mk 1050型铝合金 :209W/mk 6061型铝合金 :155W/mk 6063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
11、 稠，高温下也不会变稀，而且不挥发，所以能够使用比较长时间。 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
12、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-780nmLED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 - ，
13、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(Luminous Flux)：能够被人
14、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) cd3.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、
15、 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
16、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 分组平均显色评价数值 Ra适用范围举例Ra90色检查、临床检查、美术馆90 Ra 80住宅、饭店、商店、医院、学校， 精密加工写字楼，印刷厂纺织厂等80 Ra 60一般作业场所60 Ra 40粗加工工厂40 Ra 20贮藏室等变色要求不高的场所显色指数分类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- 4300K3000K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
