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绿色环保低碳节能 LED基础知识培训青岛金瑞德电子科技有公司销售部 目录 LED照明基本知识LED照明特性LED照明应用LED照明技术介绍 LED照明基本知识 LED基础知识 LED发光的原理 LED的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一部分是P型半导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是N型半导体 在这边主要是电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N结 当电流通过导线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向P区 在P区里电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 光的波长决定光的颜色 是由形成P N结材料决定的 白光LED产生 单芯片 InGaN 蓝 YAG荧光粉这是一种目前较为成熟的产品 这些产品采用芯片倒装结构 提高发光效率和散热效果 荧光粉涂覆工艺的改进 可将色均匀性提高10倍 实验证明 电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移 但对荧光光谱影响并不大 寿命实验结果也较好 InGaN 蓝 红荧光粉 绿荧光粉色温可达到3000K 6000K Ra达到82 87 InGaN 紫外 红 绿 蓝 荧光粉此类白光LED 其Ra大于等于90 但发光效率还不够理想 白光LED产生 单芯片 白光LED产生 双芯片 双芯片可由蓝LED 黄LED 蓝LED 黄绿LED以及蓝绿LED 黄LED制成 此种器件成本比较便宜 但由于是两种颜色LED形成的白光 显色性较差 只能在显色性要求不高的场合使用 白光LED产生 多芯片 蓝色 绿色 红色 LED这种通过RGB方法合成白光这种方法主要的问题是绿光的转换效率底 所以总体的效率不高 同时三种颜色的LED的正向电压和光输出不同 两外它们的温度特性和光维持特性也不相同 因而对电路的要求也比较高 照明发展史 按时代划分第一代 第二代 第三代光源分别是什么灯 按时代划分 白炽灯为电气照明的第一代光源 普通荧光灯为第二代光源 除普通荧光灯外其它气体放电灯为第三代光源 第三代光源为高强度气体放电灯 简称为HID HighlutensityDischange 灯 LED照明被称为第四代新型绿色光源 光的定义是什么 光有哪几种 定义 光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射 分类 可见光 紫外线 红外线 LED的发展史 1907年HenryJosephRound第一次观察到场致发光现象 1936年GeorgeDestiau第一场使用场致发光这个术语 60年代初 试验中 LED需要置放在液化氮中第一个商业LED仅仅只能发出不可见的红外线 但是迅速应用于感光与光电领域 60年代末 在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED70年代中 采用双层磷化稼能够发出黄色光 70年代末 LED出现绿色光 90年代中 LED最终出现蓝色光 90年代末白光的LED开发成功目前LED已经可以发出紫外光 除此以外 LED的光通量也在与日俱增 最新的实验室数据是186lm W LED发展计划 美国LED行业的预测 LED发展计划 世界各国政府LED发展计划 LED分类 1 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分 可分成红色 橙色 绿色 又细分黄绿 标准绿和纯绿 蓝光等另外 有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂 有色还是无色 上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明 无色透明 有色散射和无色散射四种类型 散射型发光二极管和达于做指示灯用 2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微型管等 圆形灯按直径分为 2mm 4 4mm 5mm 8mm 10mm及 20mm等 国外通常把 3mm的发光二极管记作T 1 把 5mm的记作T 1 3 4 把 4 4mm的记作T 1 1 4 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况 从发光强度角分布图来分有三类 1 高指向性 一般为尖头环氧封装 或是带金属反射腔封装 且不加散射剂 半值角为5 20 或更小 具有很高的指向性 可作局部照明光源用 或与光检出器联用以组成自动检测系统 2 标准型 通常作指示灯用 其半值角为20 45 3 散射型 这是视角较大的指示灯 半值角为45 90 或更大 散射剂的量较大 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构 4 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED 发光强度100mcd 把发光强度在10 100mcd间的叫高亮度发光二极管 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA 而低电流LED的工作电流在2mA以下 亮度与普通发光管相同 除上述分类方法外 还有按芯片材料分类及按功能分类的方法 LED照明相关知识 光通量 光源单位时间内发出的光量称为光能量 光通量用符号 表示 单位是lm 流明 由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度 我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量 必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位 光通量来衡量 光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量 不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的 发光强度 发光强度的单位为坎德拉 符号为cd 它表示光源在某单位球面度立体角 该物体表面对点光源形成的角 内发射出的光通量 1cd 1lm 1sr sr 立体角的球面度单位 光照度 每单位面积上受到的光通量数 单位是lx 勒克 发光效率 指一个光源所发出的光通量与该光源所消耗的电功率之比 显色性 指光源的光照射在物体上所产生的客观效果 色表 人眼直接观察光源时所看到的颜色 LED照明相关知识 双击添加标题文字 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 黑体的温度就称为该光源的色温 用绝对温度K 开尔文 开氏度 摄氏度 273 15 表示 由于人们是用与光源的色度相近或近似的完全辐射体的绝对温度来描述光源的色表 因此光源的色表又称为光源的色温 蓝白色的光源色温高 黄红色的光源色温低 显色指数 光源的显色指数是对光源显色性的评价 原则上 人造光线应与自然光线相同 使人的肉眼能正确辨别事物的颜色 当然 这要根据照明的位置和目的而定 显色性 Ra 是指事物的真实颜色 其自身的色泽 与某一标准光源下所显示的颜色关系 Ra值的确定 是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较 色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好 Ra值为100的光源表示 事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致 1 忠实显色 能正确表现物质本来的颜色 需使用显色指数高的光源 其数值接近100 显色性最好2 效果显色 要鲜明的强调特定色彩 表现美的生活 可以利用加色法来加强显色效果 如采用低色温光源照射 能使红色更鲜艳 采用中色温光源照射 使蓝色具有清凉感 采用高色温光源照射 使物体有冷的感觉 LED照明相关知识 亮度 亮度是指物体明暗的程度 定义是单位面积的发光强度 单位 尼特 nit 同步性 两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行 一般指内控方式的LED灯 同步性是LED灯实现协调变化的基本要求 防护等级 IP防护等级是将灯具依其防尘 防湿气之特性加以分级 由两个数字所组成 第一个数字代表灯具防尘 防止外物侵入的等级 分0 6级 第二个数字代表灯具防湿气 防水侵入的密封程度 分0 8级 数字越大表示其防护等级越高 大功率 指发光功率大 一般指0 5W 1W3W5W或更高的 光强与流明是比小功率的大 但同样散热也很大 现在大功率都是单颗应用 加很大的散热片 室外照明 办公照明多使用大功率 小功率 一般是0 06W左右的 手电 台灯多使用小功率 LED照明相关知识 波长 光的色彩强弱变化 是可以通过数据来描述 这种数据叫波长 我们能见到的光的波长 范围在380至780nm之间 单位 纳米 nm 光散不散 取决于LED的发光角度 有大角度小角度之分 小角度不散 大角度才散 LED的亮度 跟LED的发光角度有必然关系的 LED的角度越小它的亮度越高 没有什么超亮不超亮的 如果是质量好的LED不管是哪家LED厂家生产的 亮度都差不多的 只是生产工艺不一样 使用寿命略有不同 因为用的都是那几家国外的LED芯片 如果是5MM的LED180度角的白光的LED 亮度只有几百MCD 如果是15度角的亮度就要去到一万多两万MCD的亮度了 亮度相差好几十倍了 如果是用于照明用的 在户外最好是用大功率的LED 亮度更高 单个功率有1W 3W 5W 还有的是用多个大功率组合成一个大功率的LED 功率到几百都有 色温和亮度没关系 而亮度和流明值有关 LED照明相关知识 眩光 视野内有亮度极亮的物体或强烈的亮度对比 则可引起不舒适或造成视觉降低的现象 称为眩光 眩光的产生在两个原因 一是生理原因 一是灯具的原因 生理原因有 1 由于高亮度的刺激 使瞳孔缩小 2 由于角膜或晶状体等眼内组织产生光散射 在眼内形成光幕 3 由于视网膜受高亮度的刺激 使适应状态破坏 灯具产生眩光的主要因素 1 光源的亮度 亮度越高 眩光越显著 2 光源的位置 越接近视线 眩光越显著 3 光源外观大小与数量 外观面积越大 光源数目越多 眩光越显著 4 周围的环境 环境亮度越暗 眼睛的适应亮度很低 眩光也就显著 控制眩光的方法在两种 1 直接限制光源亮度或采用透光材料减弱眩光 2 用灯具保护角控制眩光 IP防护等级 IP防护等级 IP 65 防护等级代码 防尘等级 防水等级 防尘等级 防水等级 0无防护无特殊的防护1防止滴水侵入防止垂直滴下之水滴2倾斜15度时仍防止滴水侵入当灯具倾斜15度时 仍可防止滴水3防止喷射的水侵入防止雨水 或垂直入夹角小于50度方向所喷射之水4防止飞溅的水侵入防止各方向飞溅而来的水侵入5防止大浪的水侵入防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入6防止大浪的水侵入灯具侵入水中在一定时间或水压的条件下 仍可确保灯具正常运作7防止侵水的水侵入灯具无期限的沉没水中在一定水压的条件下 及可确保灯具正常运作8防止沉没的影响 LED照明特性 LED电特性 LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管 它是半导体PN结二极管中的一种 其电压 电流之间的关系称为伏安特性 LED电特性参数包括正向电流 正向电压 反向电流和反向电压 LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作 通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压 正向电流及反向电压 电流 此外也可以测定LED的最佳工作电功率 LED电特性 I V特性是LED芯片性能主要参数 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 1 正向死区 2 正向工作区 3 反向死区 4 反向击穿区 LED电特性 C V特性LED的芯片pn结面积大小不一 使其结电容也不一C V特性呈现二次函数关系是电容与电压的关系最大允许功耗PFm响应时间是LED点亮与熄灭所延迟的时间 响应时间主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗 LED点亮时间 指接通电源使发光亮度达到正常的10 开始 一直到发光亮度达到正常值的90 所经历的时间 LED熄灭时间 指正常发光减弱至原来的10 所经历的时间 不同材料制得的LED响应时间各不相同 LED光特性 发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能 LED大量应用要求是圆柱 圆球封装 由于凸透镜的作用 故都具有很强指向性 位于法向方向光强最大 其与水平面交角为90 当偏离正法向不同 角度 光强也随之变化 发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向 发光强度的角分布 是描述LED发光在空间各个方向上光强分布 它主要取决于封装的工艺 透镜的材料 透镜的曲率 芯片周围的反光杯 LED光特性 LED光特性 发光峰值波长及其光谱分布LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长 光谱辐射带宽和光谱功率分布等 单色LED的光谱为单一波峰 特性以峰值波长和带宽表示 而白光LED的光谱由多种单色光谱合成 LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示 而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数 LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同 绘成一条分布曲线 光谱分布曲线 当此曲线确定之后 器件的有关主波长 纯度等相关色度学参数亦随之而定 LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类 性质及pn结结构 外延层厚度 掺杂杂质 等有关 而与器件的几何形状 封装方式无关 LED光特性 发光峰值波长及其光谱分布如图1蓝光InGaN GaN发光谱峰 p 460 465nm2绿光GaP N发光谱峰 p 550nm3红光GaP Zn O发光谱峰 p 680 700nm4红外GaAs发光谱峰 p 910nm5Si光敏光电管通常作光电接收用6标准钨丝灯 LED光特性 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 LED的光学特性 中心波长峰值波长质心波长 LED光特性 光通量是表征LED总光输出的辐射能量 它标志器件的性能优劣 光通量为LED向各个方向发光的能量之和 它与工作电流直接有关 随着电流增加 LED光通量随之增大 可见光LED的光通量单位为流明 lm LED向外辐射的功率 光通量与芯片材料 封装工艺水平及外加恒流源大小有关 总光通量的测量 积分球法 积分球法使用积分球将使LED总通量的测量更加简单 带有两个入射孔和一个于探测器的出射孔的积分测量可对待测LED的自吸进行修正 LED光特性 发光效率LED效率有两种内部效率 pn结附近由电能转化成光能的效率 内部效率只用来分析和评价芯片优劣的特性外部效率 辐射到外部的效率 发光效率 辐射出光能量 发光量 与输入电能之比量子效率 发射的光子数 pn结载流子数流明效率 LED的光通量 外加耗电功率流明效率是评价具有外封装LED特性 LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大 故也叫可见光发光效率 理论计算中 最大的流明下来率为628lm W 同此相比 LED未来的发展前景很广阔 LED光特性 几种常见色光的效率对比 LED光特性 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大 向外发出的光尽可能多 即外部效率要高 LED向外发光仅是内部发光的一部分 总的发光效率应为 i c e i向为p n结区少子注入效率 c为在势垒区少子与多子复合效率 e为外部出光 光取出效率 效率 LED光特性 由于LED材料折射率很高 i 3 6 当芯片发出光在晶体材料与空气界面时 无环氧封装 若垂直入射 被空气反射 反射率为 n1 1 2 n1 1 2 0 32 反射出的占32 鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收 于是大大降低了外部出光效率 LED光特性 如何提高外部出光效率 e 1 用折射率较高的透明材料覆盖在芯片表面2 把芯片晶体表面加工成半球形3 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收 有人曾经用n 2 4 2 6的低熔点玻璃 成分As S Se Br I 且热塑性大的作封帽 可使红外GaAs GaAsP GaAlAs的LED效率提高4 6倍 LED光特性 发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数 具有很强方向性 其正法线方向的亮度 指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量 单位为cd m2或Nit LED亮度与外加电流密度有关 电流密度增加发光亮度也近似增大 LED亮度还与环境温度有关 环境温度升高 复合效率下降 发光亮度减小 当环境温度不变 电流增大足以引起pn结结温升高 温升后 亮度呈饱和状态 LED光特性 老化 LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象 器件老化程度与外加恒流源的大小有关 外加恒流源越大老化越快 寿命 通常把亮度降到初始亮度一般所经历的时间称为二极管的寿命 测量方法 给LED通以一定恒流源 点燃103 104小时后 先后测得BO Bt 1000 10000 代入Bt BOe t 求出 再把Bt 1 2BO代入 可求出寿命t 长期以来总认为LED寿命为106小时 这是指单个LED在e 20mA下 随着功率型LED开发应用 国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据 如LED的光衰减为原来35 寿命 6000h LED热学特性 LED的光学参数与pn结结温有很大的关系 一般工作在小电流IF 10mA 或者10 20mA长时间连续点亮LED温升不明显 若环境温度较高 LED的主波长或 p就会向长波长漂移 BO也会下降 尤其是点阵 大显示屏的温升对LED的可靠性 稳定性影响应专门设计散射通风装置 LED的主波长随温度关系可表示为 p T 0 T0 Tg 0 1nm 由式可知 每当结温升高10 则波长向长波漂移1nm 且发光的均匀性 一致性变差 这对于作为照明用的灯具光源要求小型化 密集排列以提高单位面积上的光强 光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备 确保LED长期工作 LED热学特性 LED测量的环境温度一般为Tamb 25oC 随着温度的增加 LED波长的中心会发生蓝移或红移随着温度的增加 LED的光强将会减小 LED热学特性 LED热学特性 LED散热结构 LED热学特性 LED的重要参数释疑 1 正向工作电流If 它是指发光二极体正常发光时的正向电流值 在实际使用中应根据需要选择IF在0 6 IFm以下 2 正向工作电压VF 参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的 一般是在IF 20mA时测得的 发光二极体正向工作电压VF在1 4 3V 在外界温度升高时 VF将下降 3 V I特性 发光二极体的电压与电流的关系 在正向电压正小于某一值 叫阈值 时 电流极小 不发光 当电压超过某一值后 正向电流随电压迅速增加 发光 4 发光强度IV 发光二极体的发光强度通常是指法线 对圆柱形发光管是指其轴线 方向上的发光强度 若在该方向上辐射强度为 1 683 W sr时 则发光1坎德拉 符号为cd 由于一般LED的发光二强度小 所以发光强度常用烛光 坎德拉 mcd 作单位 5 LED的发光角度 90 90 6 光谱半宽度 它表示发光管的光谱纯度 7 半值角 1 2和视角 1 2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向 法向 的夹角 8 全形 根据LED发光立体角换算出的角度 也叫平面角 9 视角 指LED发光的最大角度 根据视角不同 应用也不同 也叫光强角 10 半形 法向0 与最大发光强度值 2之间的夹角 严格上来说 是最大发光强度值与最大发光强度值 2所对应的夹角 LED的封装技术导致最大发光角度并不是法向0 的光强值 引入偏差角 指得是最大发光强度对应的角度与法向0 之间的夹角 11 最大正向直流电流IFm 允许加的最大的正向直流电流 超过此值可损坏二极体 12 最大反向电压VRm 所允许加的最大反向电压 超过此值 发光二极体可能被击穿损坏 13 工作环境topm 发光二极体可正常工作的环境温度范围 低于或高于此温度范围 发光二极体将不能正常工作 效率大大降低 14 允许功耗Pm 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值 超过此值 LED发热 损坏 LED照明应用 LED应用 1 显示屏 交通讯号显示光源的应用 LED灯具有抗震耐冲击 光响应速度快 省电和寿命长等特点 广泛应用于各种室内 户外显示屏 分为全色 三色和单色显示屏 全国共有100多个单位在开发生产 交通信号灯主要用超高亮度红 绿 黄色LED 因为采用LED信号灯既节能 可靠性又高 所以在全国范围内 交通信号灯正在逐步更新换代 而且推广速度快 市场需求量很大 是个很好的市场机会 2 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板 音响指示灯 开关的背光源 阅读灯和外部的刹车灯 尾灯 侧灯以及头灯等 汽车用白炽灯不耐震动撞击 易损坏 寿命短 需要经常更换 1987年 我国开始在汽车上安装高位刹车灯 由于LED响应速度快 可以及早提醒司机刹车 减少汽车追尾事故 在发达国家 使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件 美国HP公司在1996年推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯 此外 在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源 都可用超高亮度发光灯来担当 所以均在逐步采用LED显示 我国汽车工业正处于大发展时期 是推广超高亮度LED的极好时机 近几年内会形成年产10亿元的产值 5年内会形成每年30亿元的产值 LED应用 3 LED背光源 以高效侧发光的背光源最为引人注目 LED作为LCD背光源应用 具有寿命长 发光效率高 无干扰和性价比高等特点 已广泛应用于电子手表 手机 BP机 电子计算器和刷卡机上 随着便携电子产品日趋小型化 LED背光源更具优势 因此背光源制作技术将向更薄型 低功耗和均匀一致方面发展 LED是手机关键器件 一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件 而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件 现阶段手机背光源用量非常大 一年要用35亿只LED芯片 目前我国手机生产量很大 而且大部分LED背光源还是进口的 对于国产LED产品来说 这是个极好的市场机会 4 LED照明光源 早期的产品发光效率低 光强一般只能达到几个到几十个mcd 适用在室内场合 在家电 仪器仪表 通讯设备 微机及玩具等方面应用 目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯 这种替代趋势已从局部应用领域开始发展 日本为节约能源 正在计划替代白炽灯的发光二极管项目 称为 照亮日本 头五年的预算为50亿日元 如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯 每年可节约相当于60亿升原油的能源 相当于五个1 35 106kW核电站的发电量 并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生 改善人们生活居住的环境 我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划 LED应用 5 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋 走路时内置的LED会闪烁发光 仅温州地区一年要用5亿只发光二极管 利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯 据国内正在投产的制造商介绍 该公司已有少量保健牙刷上市 预计批量生产时每年需要3亿只发光灯 正在流行的LED圣诞灯 由于造型新颖 色彩丰富 不易碎破以及低压使用的安全性 近期在香港等东南亚地区销势强劲 受到人们普遍的欢迎 正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场 6 家用室内照明的LED产品越来受人欢迎 LED筒灯 LED天花灯 LED日光灯等家居照明 已悄悄地进入家庭 LED应用 LED应用效果 LED应用效果 HighPressureSodium LED LED应用效果 优势在于 1 LED路灯本身具有光的指向性 对光照射面的均匀度可控 理论上可以做到在目标区域内完全均匀 没有光的漫射 这也能避免传统光源 灯下亮 现象中的光浪费 保证光效 2 LED作为点光源 通过合理设计 很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题 其独特的二次光学设计 将LED路灯的光照射到所需照明的区域 进一步提高了光照效率 达到节能目的 3 LED的光源效率目前已达100lm W 而且还有很大的发展空间 理论值能达到250lm W 而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加 因此 总体光效LED路灯比高压钠灯强 4 LED路灯的光显色性比高压钠灯高 高压钠灯显色指数只有23左右 而LED路灯显色指数可达到75以上 从视觉心理角度考虑 达到同等亮度 LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20 以上 参照英国道路照明标准 而且 在中间视觉水平下 人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物 避免了某些危险状态的发生 5 LED路灯的光衰小 一年的光衰不到3 使用10年仍达到道路使用照度要求 因此 LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低 6 色温可选 LED路灯可以自动调光 能实现在满足不同时段 不同场合照明要求 最大可能的降低功率 节省电能 提高效率 7 LED是低压直流器件 驱动单颗LED的电压为安全电压 所以它是一个比使用高压电源更安全的电源 特别适用于公共场所 直流的特点使LED特别适合与太阳能 风电进行结合 还具有质量可靠 适合于易变 易震的环境 寿命长 理论寿命能使用5万小时以上 可以进行频繁的开关而不用担心其损坏 安装简便 散热控制出色 技术进步空间依然很大等优势 LED应用于路灯有先天优势和劣势 但是不少专家学者认为LED作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟 主要认为其劣势 影响路灯推广应用的因素 有 当前价格还太高 无法普及 当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的4倍 不过在路灯产品中 光源部分占总成本并不高 所以在工程安装中的成本提高比例也不会太高 应用的空间还是比较大的 在民用中难以承受 当前设计和制造标准比较混乱 损坏比例高 影响了LED的寿命优势 某些LED产品的发光效率无法和高压钠灯相比LED的照射过于集中 其照射的均匀度差 劣质LED路灯产品充斥市场 光衰严重 寿命不长 LED路灯本身自重过重 不利于安装 防风 LED应用于路灯有先天优势和劣势 发光效率问题 目前来说 LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯 LED现在的光效一般在65 75lm w 而且随着技术的发展 LED的光效每年都在提高 而高压钠灯可以达到125lm w 但是 高压钠灯的光谱比较集中于黄色 它的色温比较低 只有2000 2500K 而LED的色温较高 可以达到3500 4500K以上 另外高压钠灯的光线是向四处发射的 有很大一部分光无法到达路面 还有 高压钠灯的显色指数差 只有23左右 感觉昏暗 而LED的显色指数高 可以达到75 80 路面明亮 感觉舒适 所以从实际的发光效果来看 LED反而可以比高压钠灯高出很多 135W的LED可以取代250W的高压钠灯 或300W的水银灯 135W的LED 其输出光通量大约只有7020流明 经过二次光学设计 会有所损失 到达路面时的流明数仍为6500流明 而路面的平均照度可以达到16Lux 12m高杆 250W高压钠灯的输出光通量为20 000流明 但到达路面的流明数就只有7000流明 路面的照度大约为30 40Lux 由于显色系数的差别 LED的照度修正系数为2 35倍 高压钠灯的修正系数为0 94倍 所以135W的LED经过修正以后地面的照度为37 6Lux 而高压钠灯的修正后的照度为28 2 37 6 二者相当 所以 135W的LED可以取代250W的高压钠灯 LED可以节能1 85倍 节能效率约为50 LED照明技术介绍 LED产品 贵 的三大原因 1 国内企业没有核心技术LED行业的上游的绝大部分核心专利被国外的厂商所掌握 目前 我们没有掌握核心技术 尽管我们LED应用产品制造能力在全球占到50 份额占到50 但利润却是最低的一环 LED芯片随工艺 数量增长采用更大尺寸晶圆片制作工艺 会不断的降低成本 近年来每年在20 速度降低 LED芯片价格因数中 要将光效的提升也计入价格降低中 同样的价格购买了更好的产品 LED照明灯具的成本主要在LED芯片 只要芯片价格降下来 LED的流明单价能降到与现阶段的节能灯相当 室内照明就自然遍地开花 LED芯片还大有降价空间 2 LED应用产品散热难结构设计在灯具中大概占20 一直以来中国勤劳人民都会定价很低 20 成本认为很合理 最大的问题是怎样更有创新 设计更合理 散热成本要维持在5 实际散热设计很简单 把住两个方向 一是 LED芯片与外散热器件路径越短越好 越短你的散热设计就越好 二是 散热阻力 就是要有足够的散热传导路径同时也要有足够的 散热道路 这部分成本主要在结构 用于散热成本并不多 3 LED应用电源管理电源是LED灯具最薄弱的环节 严重滞后LED灯具发展 品质有待提高 现在设计占灯具成本的20 左右 有些高 随着技术发展电源大概在5 10 最为合理 LED成本高 其实是相对目前其他光源来说 作为20世纪90年代才发明蓝光LED 从而导致LED白光得以实现的LED行业而言 其实现在的成本并不高 尤其是LED环保 节能 不含汞 而且每季度LED灯具的价格都在往下滑 相信一定可以在较短的时间内达到人们能够接受的水平 LED照明技术攻关 提高光通量 光通的提高还需要从大功率的LED的外延技术 芯片工艺等基础层次进一步提升 目前 国内外制作白光LED的方法是先将LED芯片放置在封装的基片上 用金丝进行键合 然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉 再用环氧树脂包封 树脂既起保护芯片的作用又起到聚光镜的作用 从LED芯片发射出的蓝色光射到周围的荧光粉层内经多次散乱的反射 吸收 最后向外部发出 LED 蓝 的光谱线的峰值在465nm处 半值宽为30nm LED发出的部分蓝色光激发黄色的YAG荧光粉层 使其发出黄色光 峰值为555nm 一部分蓝色光直接或反射后向外发出 最终达到外部的光为蓝黄二色光 即白光 芯片倒装技术 FlipChip 可以得到比传统的LED芯片封装技术更多的有效出光 但是如果不在芯片的发光层的电极下方增加反射层来反射出浪费的光能 则会造成约8 的光损失 所以底板材料上必须增加反射层 芯片侧面的光也必须利用热沉的镜面加以反射 增加器件的出光率 而且在倒装芯片的蓝宝石衬底 Sapphire 与环氧树脂导光结合面间应加上一层硅胶材料以改善芯片出光的折射率 经过光学封装技术的改善 可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率 光通量 LED照明技术攻关 二次配光设计 LED照明器具进行优化设计 提高LED的使用质量 因此研究大功率LED光源二次光学配光设计 满足大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切 通过二次光学设计技术 设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面 可以提高器件的取光效率 传统光源照射方向为360 灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位 只有40 左右的光是直接透过玻璃罩到达路面的 其他的光是通过灯具反射器再投射出灯具的 灯具的反射器的效率一般仅为50 60 所以有60 左右的光输出在灯具内 是在损失了30 40 后再投射到路面上的 光源光输出的很大一部分被限制在灯具内部发热消耗掉 LED灯的绝大部分光线都是前射光 可以实现 95 的光效 这是LED区别于其他光源的重要特性之一 如果不能将这一特性很好利用 会使LED的优势大打折扣 大多数大功率LED灯由于是多个LED芯片拼装 要将这么多光源照到不同方向 我们充分发挥芯片整体封装的特点 采用透镜加以解决 通过光学设计 根据不同需要 配备不同凸面曲线 依靠透镜来将光线分配到不同方向 保证出光角度大的可以达到120 160 小的可以将光线聚集在30 以内 透镜一旦定型 在生产工艺保证的前提下 同种灯具的配光特性也就达到了一致 完全可以通过经过多次试制 不断地总结经验 能够使LED路灯达到道路照明标准要求的蝙蝠翼光型 目前隧道灯 路灯和一般照明灯已达到各自应用场所的照明要求 LED照明技术攻关 散热技术 散热是LED路灯需要重点解决的问题 众所周知 LED是个光电器件 其工作过程中只有15 25 的电能转换成光能 其余的电能几乎都转换成热能 使LED的温度升高 在大功率LED中 散热是个大问题 例如 1个10W白光LED若其光电转换效率为20 则有8W的电能转换成热能 若不加散热措施 则大功率LED的器芯温度会急速上升 当其结温 TJ 上升超过最大允许温度时 一般是150 大功率LED会因过热而损坏 因此在大功率LED灯具设计中 最主要的设计工作就是散热设计 由于LED路灯亮度要求高 使用环境比较苛刻 如果散热解决不好 会迅速导致LED老化 稳定性降低 一盏采用250W高压钠灯的路灯 由于技术成熟 散热控制的很好 即使工作5000小时 光衰仍然很小 以目前的技术 相同条件下的大功率LED路灯 如果散热解决不好 光衰会很大 目前LED路灯的散热方式主要有 自然对流散热 加装风扇强制散热 热管 回路热管散热和均温板散热等 加装风扇强制散热方式系统复杂 可靠性低 热管和均温板散热方式成本较高 LED照明技术攻关 模组化 LED路灯 最终会选择模块化安装及维修 现在路面用的最多的高压钠灯 内部的镇流器等部件不容易损坏 大部分不亮的原因是光源损坏 维修的方式只要更换光源即可 一个熟练的操作工人 完全可以个人进行高台操作 但是 LED路灯 内部的部件很多 除了光源 芯片 其他各个部分损坏都会导致芯片不亮 所以 在现场 无法立刻断定LED路灯损坏的原因 如果LED路灯不亮 需要把LED路灯摘下运回工厂进行各项检测 这样更换LED路灯的方式显得非常繁琐 LED路灯的发展最终版本 就是发展成为模块化 光源 电气等之间全部是按照插接进行更换 这样 一个熟练的工人 也完全能独立进行判断损坏的原因并进行现场维修 怎么样才算是优质光源和先进的照明技术 优质光源应体现以下四点 1 灯发出的光为全色光 2 灯光光谱成分中没有紫外光和红外光 3 光的色温应贴近自然光 4 灯光为无频光 先进的照明技术应体现以下四点 1 眩光是否小2 照胆是否高3 照度分布是否均匀4 观赏功能是否强 室内绿色照明解决方案 解决频繁换灯 减少维护时间及费用 解决居高不下的电费支出 轻松用电 解决因灯具产生的热量 影响环境温度 提高生活工作环境质量 解决传统灯具有毒气体排放 保证身体健康 LED驱动电源九大性能特点要求 根据电网的用电规则和LED驱动电源的特性要求 在选择和设计LED驱动电源时要考虑到以下九大性能特点要求 1 高可靠性 特别像LED路灯的驱动电源 装在高空 维修不方便 维修的花费也大 2 高效率 LED是节能产品 驱动电源的效率要高 因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降 所以LED的散热非常重要 电源的效率高 它的耗损功率小 在灯具内发热量就小 也就降低了灯具的温升 可以延缓LED的光衰 3 高功率因素 功率因素是电网对负载的要求 一般70瓦以下的用电器 没有强制性指标 虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大 但晚上大家点灯 同类负载太集中 会对电网产生较严重的污染 4 驱动方式 现在通行的有两种 一种是一个恒压源供多个恒流源 每个恒流源单独给每路LED供电 这种方式 组合灵活 一路LED故障 不影响其他LED的工作 但成本会略高一点 另一种是直接恒流供电 LED串联或并联运行 它的优点是成本低一点 但灵活性差 还要解决某个LED故障 不影响其他LED运行的问题 多路恒流输出供电方式 也许是以后的主流方向 5 浪涌保护 LED抗浪涌的能力是比较差的 特别是抗反向电压能力 有些LED灯装在户外 如LED路灯 由于电网负载的启甩和雷击的感应 从电网系统会侵入各种浪涌 有些浪涌会导致LED的损坏 因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入 保护LED不被损坏的能力 6 保护功能 除了常规的保护功能 最好在恒流输出中增加LED温度负反馈 防止LED温度过高 7 防护方面 灯具外安装型 电源结构要防水 防潮 外壳要耐晒 8 驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配 9 要符合安规和电磁兼容的要求 随着LED的应用日益广泛 LED驱动电源的性能将越来越适合LED的要求 LED封装技术介绍 1 扩晶 把排列的密密麻麻的晶片弄开一点便于固晶 2 固晶 在支架底部点上导电 不导电的胶水 导电与否视晶片是上下型PN结还是左右型PN结而定 然后把晶片放入支架里面 3 短烤 让胶水固化焊线时晶片不移动 4 焊线 用金线把晶片和支架导通 5 前测 初步测试能不能亮 6 灌胶 用胶水把芯片和支架包裹起来 7 长烤 让胶水固化 8 后测 测试能亮与否以及电性参数是否达标 9 分光分色把颜色和电压大致上一致的产品分出来 10 包装 LED焊接技术要求及操作注意事项 1 生产时一定要戴防静电手套 防静电手腕 电烙铁一定要接地 严禁徒手触摸白光LED的两只引线脚 因为白光LED的防静电为100V 而在工作台上工作湿度为60 90 时人体的静电会损坏发光二极体的结晶层 工作一段时间后 如10小时 二极体就会失效 不亮 严重时会立即失效 2 焊接温度为260 3秒 温度过高 时间过长会烧坏芯片 为了更好地保护LED LED胶体与PC板应保持2mm以上的间距 以使焊接热量在引脚中散除 3 LED的正常工作电流为20mA 电压的微小波动 如0 1V 都将引起电流的大幅度波动 10 15 因此 在电路设计时应根据LED的压降配对不同的限流电阻 以保证LED处于最佳工作状态 电流过