LED照明技术节能解读.ppt

LED目录 LED介绍发展历程LED节能灯分类组成部分特性规格 LED发光原理杂质半导体PN结的形成击穿性单向导电性总结 LED介绍 LED说白了就是发光二极管 就是将电转化成可见光的固态的半导体器件 主要由支架 银胶 晶片 金线 环氧树脂五种物料所组成 LED节能灯是继紧凑型荧光灯 即普通节能灯 后的新一代照明光源 相比普通节能灯 LED节能灯环保不含汞 可回收再利用 功率小 高光效 长寿命 即开即亮 耐频繁开关 光衰小 色彩丰富 可调光 变幻丰富 大量使用普通节能灯 会造成汞污染 污染土壤水源 从而间接的污染食品 环境危害不可小觑 3 能源问题已经成为21世纪亟需解决的迫切问题 世界经济的高速发展消耗了大量的自然可再生资源 资源的短缺极大地限制了当前社会的发展和稳定 在照明领域 LED节能灯的出现 极大地改变了人们的生活 其高节能的优点越来越受到社会和人们的认可 LED的耗电量仅为传统灯泡的1 10 使用寿命却是传统灯泡的100倍 与广泛应用于道路 车站 广场等公共场所照明的高压钠灯相比 LED路灯的功耗只是高压钠灯的40 50 LED路灯100瓦相当于高压钠灯250瓦亮度 250瓦高压钠灯每3小时用1度电 而100瓦LED路灯每10小时耗1度电 按城区公共照明路灯1000盏 每盏每天点亮10小时 电价1元计算 250瓦高压钠灯每天电费达3500元 每年电费多达127万余元 100瓦LED路灯每天节能2400度 一年可节省电费87万余元 节能效率达68 5 LED灯的卓越优点 高节能 LED只向半空间发出光线 这意味着不加任何形式的反射器 光源发出的光线也能全部射向受照面方向 这一特点决定了LED照明节能灯有望实现90 以上的灯具效率 同时通过合理的光学设计能达到很高的光通利用率 高压钠灯使用寿命为4000小时左右 平均每年每盏路灯的维护费用为120元左右 按1000盏路灯计算 每年的维护费用为12万多元 而LED路灯使用寿命为5万小时以上 正常使用可达八年以上 损坏率极低 LED是第三代半导体材料制作的光源和显示器件 具有耗电量少 寿命长 无污染 色彩丰富 可控性强等特点 是照明光源及光产业的一次革命 LED的出现 不仅使百年传统照明工业迎来了电子化大规模的数字技术时代 而且应用涉及信息 交通 医疗 农业等领域 其数字化的特性是即将到来的物联网时代的技术支撑之一 将引发人类生产 生活方式的巨大变化 Led灯白炽灯普通节能灯 白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态 利用热辐射发出可见光的电光源 自1879年 美国的T A 爱迪生制成了碳化纤维 即碳丝 白炽灯以来 经人们对灯丝材料 灯丝结构 充填气体的不断改进 白炽灯的发光效率也相应提高 白炽灯的光效虽低 但光色和集光性能好 是产量最大 应用最广泛的电光源 节能灯 又称为省电灯泡 电子灯泡 紧凑型荧光灯及一体式荧光灯 是指将荧光灯与镇流器 安定器 组合成一个整体的照明设备 白炽灯是靠钨丝发热原理工作的 就是常见的圆头灯泡 节能灯是日光灯的一种 靠荧光粉发光 价格比白炽灯贵 同瓦数时比白炽灯亮60 左右 LED灯利用二极管发光原理 节能效果比节能灯好 同瓦数时比节能灯亮40 左右 LED节能灯分类 LED节能灯品种丰富 市面上基本有三类 一类 由草帽型小功率LED制成的LED节能灯 电源采用阻容降压电路 利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流 草帽型LED延用指示灯LED的封装形式 环氧树脂封装 使得LED芯片无法将热量散出 光衰严重 很多白光LED 在使用一段时间后 色温变高 渐渐成偏蓝色 变得昏暗 也有厂家致力于开发低光衰的草帽型LED 但是由于没有改变封装形式 光衰依然没有大的改观 这类LED节能灯产品 为过渡性产品 价格低 质量较差 二类 由3528或5050贴片中小功率LED制成的LED节能灯 电源也普遍采用阻容降压电路 也有部分厂家采用恒流电路 相比草帽型LED 贴片LED散热稍好 有导热基板 在配合铝基板 能将一部分热量导出 但是由于还是忽视的LED的热量 很多中功率贴片LED节能灯 没有散热器 依旧使用塑料外壳 光衰依然严重 采用阻容降压低端电源 因电网电压不稳 电流有波动 亮度也有波动 价格适中 质量稍好 三类 由大功率贴片LED制成的LED节能灯 电源普遍采用恒流隔离电路 即有一个恒定的电流 如5W的LED 通常采用5片1瓦的LED芯片 串联 采用恒流300mA的电流源供电 宽电压电源 使电网波动时 电流没有改变 光通量即亮度维持恒定 5片贴片LED焊接在铝基板之上 铝基板再结合于散热器上 使用热量能够及时快速的散去 保证LED芯片温度低于LED允许结温 处于电子设备中实际半导体芯片的最高温度 从而保证LED节能灯的真实有效寿命 这类LED灯价格高 质量好 也是LED节能灯的发展方向 LED芯片很重要 好的LED芯片 光效高 温升低 显色指数高 结温高 抗静电 散热很重要 如果一味强调LED是冷光源 不需要散热 那是完全错误的 在还没有开发出真正低发热的LED芯片之前 LED不加优质散热器 那么它的寿命可能还远不及现行的普通节能灯 因为光衰到初始光通量70 时 就已经标识着LED节能灯寿命终了 电源很重要 是否经得了高温高湿 是否过得了高压安规 UL 是否过得了电磁兼容 EMC EMI 也都是些硬性指标 也决定了LED节能灯的真实寿命 木桶效应中 电源可能就是LED节能灯的短板 关键 灯罩是LED节能灯的二次配光 灯罩很优质的LED节能灯 普遍采用光扩散材料 在LED光线到达灯罩时 将光线扩散开去 点亮后看不见LED光源 LED节能灯成为一个大的光源 照射物体不发虚 且光扩散型灯罩普遍透光率在80 以上 效果好 组成部分 一个好的LED节能灯 应该由四部分组成 优质的LED芯片 恒流隔离电源 相对灯具功率合适的散热器 光扩散效果柔和不见点光源的灯罩 特性 1 高效节能 以相同亮度比较 3W的LED节能灯333小时耗1度电 而普通60W白炽灯17小时耗1度电 普通5W节能灯200小时耗1度电 2 超长寿命 半导体芯片发光 无灯丝 无玻璃泡 不怕震动 不易破碎 使用寿命可达五万小时 普通白炽灯使用寿命仅有一千小时 普通节能灯使用寿命也只有八千小时 3 健康 光线中含紫外线和红外线少 产生辐射少 普通灯光线中含有紫外线和红外线 4 绿色环保 不含汞和氙等有害元素 利于回收 普通灯管中含有汞和铅等元素 5 保护视力 直流驱动 无频闪 普通灯都是交流驱动 就必然产生频闪 6 光效率高 CREE公司实验室最高光效已达260lm W 而市面上的单颗大功率LED也已经突破100lm W 制成的LED节能灯 由于电源效率损耗 灯罩的光通损耗 实际光效在60lm W 而白炽灯仅为15lm W左右 质量好的节能灯在60lm W左右 所以总体来说 LED节能灯光效与节能灯持平或略优 2011年5月数据 7 安全系数高 所需电压 电流较小 安全隐患小 于矿场等危险场所 8 市场潜力大 低压 直流供电 电池 太阳能供电 于边远山区及野外照明等缺电 少电场所 规格 LED尺寸大小 0603 0805 1210 5050是指LED灯带上使用的发光元件 LED的尺寸大小 英制 公制 LED灯数 15灯 30灯 60灯是指LED灯带每米长度上焊接了多少颗LED元件 一般来说1210规格灯带是每米60颗LED 5050规格灯带是每米30颗LED 特殊的有每米60颗LED 不同LED数量的LED灯带价格是不同的 这也是区分LED灯带价格的一个重要因素 色温 是指将一标准黑体加热 温度升高到一定程度时颜色开始由深红 浅红 橙黄 白 蓝 逐渐改变 某光源与黑体的颜色相同时 我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温 光源色温不同 光色也不同 色温在3300K以下 光色偏红给以温暖的感觉 有稳重的气氛 温暖的感觉 通称暖色温 LED色温对比色温在3000 6000K为中间 人在此色调下无特别明显的视觉心理效果 有爽快的感觉 故称为 中性 色温色温超过6000K 光色偏蓝 给人以清冷的感觉 通称冷色温 亮度 cd 坎德拉 发光强度的基本单位 坎德拉是国际单位制的基本单位之一 一般LED灯带不同的颜色会有不同的发光强度 常用单位是mcd 即毫坎德拉 数值越高 说明发光强度越大 也就是越亮 这是评定LED灯带亮度的重要指标 亮度要求越高的灯带价格越贵 这是因为高亮度的LED芯片价格偏贵 并且亮度越高 封装难度越大 发光角度 这是指LED灯带上LED元件的发光角度 一般通用的贴片LED 即SMD元件的发光角度都是120度 发光角度越大 起散光效果越好 但相对的 其发光的亮度也就相应减小了 发光角度小 光的强度是上去了 但照射的范围又会缩小 因此 评定LED灯带的另一个重要指标就是发光角度 电压 这是指LED灯带的输入电压 一般常用的规格是直流12V 也有的是24V LED发光原理 LED LightEmittingDiode 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 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 这就是LED发光的原理 杂质半导体 N型半导体 N为Negative的字头 由于电子带负电而得此名 掺入少量杂质磷元素 或锑元素 的硅晶体 或锗晶体 中 由于半导体原子 如硅原子 被杂质原子取代 磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键 多出的一个电子几乎不受束缚 较为容易地成为自由电子 于是 N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体 其导电性主要是因为自由电子导电 P型半导体 P为Positive的字头 由于空穴带正电而得此名 掺入少量杂质硼元素 或铟元素 的硅晶体 或锗晶体 中 由于半导体原子 如硅原子 被杂质原子取代 硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候 会产生一个 空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来 填充 使得硼原子成为带负电的离子 这样 这类半导体由于含有较高浓度的 空穴 相当于 正电荷 成为能够导电的物质 PN结的形成 LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的芯片 在P型半导体和N型半导体之间的过渡层 便是我们常说的P N结 当P型半导体和N型半导体结合时 由于交界面处存在的载流子浓度差 于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散 我们知道 电子与空穴都是带电的 其扩散的结果就导致了P区和N区原来的电中性被破坏 这样 P区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子 半导体中的离子不能任意移动 因此不参与导电 N区一侧失去电子而留下不能移动的正离子 这些不能移动的带电粒子就是空间电荷 在空间电荷集中在P区和N区交界面附近 形成了一很薄的空间电荷区 就是P N结 在出现了空间电荷区以后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区就形成了一个内电场 其方向是从带正电的N区指向带负电的P区 这个电场是载流子扩散运动形成的 而不是外加电压形成的 这便是内电场 由于内电场的存在 使得P N结处于动态平衡状态 当我们给P N结一个正向电压 便改变了P N结的动态平衡 注入的少数载流子 少子 与多数载流子 多子 复合时 便将多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 如果给PN结加反向电压 少数载流子 少子 难以注入 故不发光 利用注入式电发光原理制作的二极管就是我们常说得发光二极管 即LED在LED得两端加上正向电压 电流从LED阳极流向阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 调节电流 便可以调节光的强度 可以通过改变电流可以变色 这样可以通过调整材料的能带结构和带隙 便可以多色发光 击穿性 PN结加反向电压时 空间电荷区变宽 区中电场增强 反向电压增大到一定程度时 反向电流将突然增大 如果外电路不能限制电流 则电流会大到将PN结烧毁 反向电流突然增大时的电压称击穿电压 基本的击穿机构有两种 即隧道击穿 也叫齐纳击穿 和雪崩击穿 前者击穿电压小于6V 有负的温度系数 后者击穿电压大于6V 有正的温度系数 雪崩击穿 阻挡层中的载流子漂移速度随内部电场的增强而相应加快到一定程度时 其动能足以把束缚在共价键中的价电子碰撞出来 产生自由电子 空穴对 新产生的载流子在强电场作用下 再去碰撞其它中性原子 又产生新的自由电子 空穴对 如此连锁反应 使阻挡层中的载流子数量急剧增加 象雪崩一样 雪崩击穿发生在掺杂浓度较低的PN结中 阻挡层宽 碰撞电离的机会较多 雪崩击穿的击穿电压高 齐纳击穿 齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内 由于掺杂浓度很高 PN结很窄 这样即使施加较小的反向电压 5V以下 结层中的电场却很强 可达2 5 105V m左右 在强电场作用下 会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来 形成 电子一空穴对 从而产生大量的载流子 它们在反向电压的作用下 形成很大的反向电流 出现了击穿 显然 齐纳击穿的物理本质是场致电离 单向导电性 PN结加正向电压时导通 如果电源的正极接P区 负极接N区 外加的正向电压有一部分降落在PN结区 PN结处于正向偏置 电流便从P型一边流向N型一边 空穴和电子都向界面运动 使空间电荷区变窄 电流可以顺利通过 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 PN结加反向电压时截止 如果电源的正极接N区 负极接P区 外加的反向电压有一部分降落在PN结区 PN结处于反向偏置 则空穴和电子都向远离界面的方向运动 使空间电荷区变宽 电流不能流过 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 光通量 luminousflux 指人眼所能感觉到的辐射功率 它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积 由于人眼对不同波长光的相对视见率不同 所以不同波长光的辐射功率相等时 其光通量并不相等 LED灯的光衰有几种 使用时间长后散热效果下降 二是荧光粉老化 三是二极管本身转换效率降低 四是其他材料老化从而使LED灯发光亮度降低 LED养鸡灯是依照禽类视觉和处理光信息的特殊性 根据不同波长光源对肉鸡和蛋鸡生理机能的影响 使用人造光色信息来提高禽类生长发育 生产性能的一种LED灯具 光扩散粉LD 015 与PC PS PMMA PVC PET等材质相容性好 折射性优 光扩散性好 大大降低生产成本 圆形粒径容易分散 能承受高剪切力和高压力 挤出应用于LED光扩散灯罩 雾面磨砂灯罩 光扩散雾面磨砂型材或光扩散雾面磨砂板材 赋予灯罩良好的光扩散磨砂雾面或光扩散雾面磨砂效果 使LED强光不刺眼 而光通量lm w却保持在88 92 左右 保证了足够流明 少子会在电场力的作用下 形成与扩散电流反向的电流 即漂移电流 应用一 显示屏商业照明家居照明亮化照明是LED主要应用市场 应用二 小尺寸背光源市场放缓 中大尺寸将成为新关注点 应用三 汽车车灯市场潜力大 但短期内市场很难启动 应用四 室内装饰灯市场逐步启动 交通灯市场进入平稳增长期 应用五 景观照明市场快速发展 2007年市场增速达到高峰 应用六 通用照明市场路漫漫 任重而道远 0603 换算为公制是1005 即表示LED元件的长度是1 0mm 宽度是0 5mm 行业简称1005 英制叫法是0603 0805 换算为公制是2125 即表示LED元件的长度是2 0mm 宽度是1 25mm 行业简称2125 英制叫法是0805 1210 换算为公制是3528 即表示LED元件的长度是3 5mm 宽度是2 8mm 行业简称3528 英制叫法是1210 5050 这是公制叫法 即表示LED元件的长度是5 0mm 宽度是5 0mm 行业简称5050 大功率LED散热封装现状 目前制作的大功率白光LED的芯片尺寸大多在1mm 1mm以上 单个器件的耗散功率在1W以上 这样需要的散热密度大于1W mm2 如果简单地把封装尺寸也按比例放大 芯片的热量不能散出去 会加速芯片和荧光粉的老化 还可能导致到装焊的焊锡融化 使芯片失效 一般使用的LED路灯散热技术 多为导热板方式 优化散热 1 倒装芯片结构LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上 这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底 而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底 再传到金属底座 由于其有源发热区更接近散热体 可降低内部热沉热阻 2 微喷射流冷却结构散热器在封闭系统中 水在微泵的作用下进人LED的底板小槽吸热 然后又回到小的水容器中 通过风扇散热 3 微通道散热器当冷却液体 水 从通道一端流向另一端时 两端得热量可以及时地散发出去 而中心位置的芯片受其他芯片产生的热场影响较大 不利于散热 热管的应用 热管是20世纪60年代发展起来的具有特别高的导热性能的相变传热元件 它可将大量的热量通过其很小截面积传输而无需外加动力 热管是一种具有高导热性能的传热元件 它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量 具有极高的传热性能 良好的等温性 冷热两侧的传热面积可任意改变 可远距离传热 可控制温度等一系列优点 热管技术应用领域特别广泛 今年来 热管在个人电脑上的应用十分普遍 主要用来对电脑CPU的散热 热虹吸管散热器冷却LED 热虹吸热管也即我们平时所说的重力式热管 这种热管有自身的缺陷 它只能竖直放置 一旦热管斜置或发生弯曲 热管的散热效率会大为降低 回路热管的应用 它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动进行回路运行 利用工质的蒸发和冷凝来传递热量 因此能够在小温差 长距离的情况下传递大量的热量 是一种高效的两相传热装置 其基本的工作原理是 毛细结构本身可以将液态往上吸 使得毛细结构充满工质液体 而当蒸发器被加热时 毛细结构也被加热 毛细结构中的液体便会蒸发成气体 并通过蒸汽槽道沿着蒸汽段到冷凝段 同时带走了热量 而在冷凝段中 气体被冷凝成了液体 释放出潜热 而毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到补偿室 并到达毛细结构 平板式蒸发器回路热管 蒸汽管道将蒸汽槽道和冷凝器入口连接 回液管道将液体引管和冷凝器出口连接 回路热管运行时 液体工质在蒸发器内吸收热量而蒸发 产生的蒸汽从蒸汽槽道流出进入蒸汽管道 蒸汽进入冷凝器后放出热量冷凝成液体 而毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到储液器 并到达毛细结构 如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程 新型结构回路热管 大功率LED与该热管的蒸发器壁面直接焊接 在蒸发器内部和储液器内部都平铺有丝网毛细结构 相对于沟槽吸液芯 丝束吸液芯及烧结吸液芯 具有结构简单 加工方便 成本低等特点 冷凝器设计为光管式冷凝器 结构简单 可配合灯具造型 角度任意布置 降低了加工成本以及可以随着LED发热功率的改变而改