举例LED照明灯具产品基础知识

WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 举例 LED 照明灯具产品基础知识 一 LED 照明技术基本知识 1 LED 光源的特性 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 现在 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 2 LED 节能灯设计理论 LED 的出现打破了传统光源的设计方法与思路 目前有两种最新的设计理念 1 情景照明 是以环境的需求来设计灯具 情景照明以场所为出发点 旨在营造一种 漂亮 绚丽的光照环境 去烘托场景效果 使人感觉到有场景氛围 2 情调照明 是以人的需求来设计灯具 情调照明是以人情感为出发点 从人的角度 去创造一种意境般的光照环境 情调照明包含四个方面 一是环保节能 二是健康 三是 智能化 四是人性化 情调照明书 是中国第一本引领 LED 照明设计潮流的书籍 打破了设计理论长期被 国外巨头垄断的局面 使 LED 的应用更加容易为市场所需要 将最新的情调照明设计理念 贡献出来与大家分享 借此希望更多专家学者 设计师参与讨论和提出建议 LED 有分立和集成两种封装形式 LED 分立器件属于传统封装 广泛应用于各个相关的 领域 经过四十多年的发展 已形成一系列的主流产品形式 芯片集成 COB 模块目前属于 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 个性化封装 主要为一些个案性的应用产品而设计和生产 尚未形成主流产品形式 3 LED 光源芯片技术 MCPCB 光源模组与 COB 光源模块的特点与比较 传统的 LED 做法是 LED 光源分立器件 MCPCB 光源模组 LED 灯具 主要是由于没有 现成合适的核心光源组件而采取的做法 不但耗工费时 而且成本较高 实际上 我们可 以将 LED 光源分立器件 MCPCB 光源模组 合二为一 直接将 LED 芯片集成在 MCPCB 上做 成 COB 光源模块 走 COB 光源模块 LED 灯具 的路线 不但省工省时 而且可以节省器 件封装的成本 与分立 LED 器件相比 COB 光源模块在应用中可以节省 LED 的一次封装成本 光引擎模组 制作成本和二次配光成本 在相同功能的照明灯具系统中 实际测算可以降低 30 左右的 光源成本 这对于半导体照明的应用推广有着十分重大的意义 在性能上 通过合理的设 计和微透镜模造 COB 光源模块可以有效地避免分立光源器件组合存在的点光 眩光等弊 端 还可以通过加入适当的红色芯片组合 在不明显降低光源效率和寿命的前提下 有效 地提高光源的显色性 在应用上 COB 光源模块可以使照明灯具厂的安装生产更简单和方 便 有效地降低了应用成本 在生产上 现有的工艺技术和设备完全可以支持高良品率的 COB 光源模块的大规模制造 随着 LED 照明市场的拓展 灯具需求量在快速增长 我们完 全可以根据不同灯具应用的需求 逐步形成系列 COB 光源模块主流产品 以便大规模生产 COB 的 LED 可以做到出光很均匀 所以在灯具配光的时候可以简化和减少光损 在应 用上 COB 的 LED 制造的灯具可以做到面发光 而不像普通 LED 那样是点光源 由于减少 了配光的光度损失 所以理论上也可以做到更高光效 但是 COB 的 LED 在制造中要求使用更多的材料 例如荧光粉和硅胶 在成本上并没有优势 另外 COB 的 LED 串并方式在出厂时都已经固定 不如单粒的大功率 LED 那样可以自由搭配 数量和颜色 调整色温和电气参数 影响 LED 平面光源 COB 平面光源 的寿命及光效最重要的因素之一是结温 LED 平面 光源 COB 平面光源 的结温是指 LED 平面光源 COB 平面光源 集成 LED 芯片发光层 P N 结的温度 LED 结温其核心就是解决热散失能力的问题 光拓光电公司的工程师们总结出影响 LED 平面光源 COB 平面光源 结温的高低与 下面的因素有关 芯片结构 LED 芯片本身的封装热阻 二次散热体的热阻 尤指灯具热 阻 散热器导热率及散热面积的大小 平面光源模块与二次散热体介面的热阻 COB 平 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 面光源的铝基板 或陶瓷基板 的热阻 灯具的结构 额定输入功率大小及使用环境温度 LED 平面光源 COB 平面光源 的结温越低 使用寿命就越长 基于对 LED 平面光 源模块光效与寿命的综合考量 不论功率大小 最理想的方法是把 LED 平面光源的结温控 制在 60 以下 解决热散失能力就是降低结温 减少温升的方法有 一 提高 LED 芯片的电光转换效率 使尽可能多的输入功率转变成光能 二 减少 LED 芯片与外围灯具散热体的执阻 从而提高 LED 芯片及外围灯具的热散失能力 三 灯具合理的空间设计 外壳材料及 COB 平面光源基板材料的选用 其目的是降低 LED 平面光源 COB 平面光源 的热阻 COB 的英文全称是 chip on board 分为小芯片集成和大芯片集成 主要用在照明产品 上面 COB 板上芯片 Chip On Board COB 工艺过程首先是在基底表面用导热环氧树脂 一般 用掺银颗粒的环氧树脂 覆盖硅片安放点 然后将硅片直接安放在基底表面 热处理至硅片 牢固地固定在基底为止 随后再用丝焊的方法在硅片和基底之间直接建立电气连接 裸芯 片技术主要有两种形式 一种是 COB 技术 另一种是倒装片技术 Flip Chip 板上芯片封 装 COB 半导体芯片交接贴装在印刷线路板上 芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实 现 芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现 并用树脂覆盖以确保可靠性 虽然 COB 是最简单的裸芯片贴装技术 但它的封装密度远不如 TAB 和倒片焊技术 COB 主要的焊接方法 1 热压焊 利用加热和加压力使金属丝与焊区压焊在一起 其原理是通过加热和加压力 使焊区 如 AI 发生塑性形变同时破坏压焊界面上的氧化层 从而使原子间产生吸引力达到 键合 的 目的 此外 两金属界面不平整加热加压时可使上下的金属相互镶嵌 此技术一般用为玻 璃板上芯片 COG WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 2 超声焊 超声焊是利用超声波发生器产生的能量 通过换能器在超高频的磁场感应下 迅速伸缩产 生弹性振动 使劈刀相应振动 同时在劈刀上施加一定的压力 于是劈刀在这两种力的共 同作用下 带动 AI 丝在被焊区的金属化层如 AI 膜 表面迅速摩擦 使 AI 丝和 AI 膜表面 产生塑性变形 这种形变也破坏了 AI 层界面的氧化层 使两个纯净的金属表面紧密接触达 到原子间的结合 从而形成焊接 主要焊接材料为铝线焊头 一般为楔形 3 金丝焊 球焊在引线键合中是最具代表性的焊接技术 因为现在的半导体封装二 三极管封装都采 用 AU 线球焊 而且它操作方便 灵活 焊点牢固 直径为 25UM 的 AU 丝的焊接强度一般为 0 07 0 09N 点 又无方向性 焊接速度可高达 15 点 秒以上 金丝焊也叫热 压 超 声 焊主要键合材料为金 AU 线焊头为球形故为球焊 COB 封装流程 第一步 扩晶 采用扩张机将厂商提供的整张 LED 晶片薄膜均匀扩张 使附着在薄膜表面 紧密排列的 LED 晶粒拉开 便于刺晶 第二步 背胶 将扩好晶的扩晶环放在已刮好银浆层的背胶机面上 背上银浆 点银浆 适用于散装 LED 芯片 采用点胶机将适量的银浆点在 PCB 印刷线路板上 第三步 将备好银浆的扩晶环放入刺晶架中 由操作员在显微镜下将 LED 晶片用刺晶笔刺 在 PCB 印刷线路板上 第四步 将刺好晶的 PCB 印刷线路板放入热循环烘箱中恒温静置一段时间 待银浆固化后 取出 不可久置 不然 LED 芯片镀层会烤黄 即氧化 给邦定造成困难 如果有 LED 芯片 邦定 则需要以上几个步骤 如果只有 IC 芯片邦定则取消以上步骤 第五步 粘芯片 用点胶机在 PCB 印刷线路板的 IC 位置上适量的红胶 或黑胶 再用防 静电设备 真空吸笔或子 将 IC 裸片正确放在红胶或黑胶上 第六步 烘干 将粘好裸片放入热循环烘箱中放在大平面加热板上恒温静置一段时间 也 可以自然固化 时间较长 第七步 邦定 打线 采用铝丝焊线机将晶片 LED 晶粒或 IC 芯片 与 PCB 板上对应的焊 盘铝丝进行桥接 即 COB 的内引线焊接 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 第八步 前测 使用专用检测工具 按不同用途的 COB 有不同的设备 简单的就是高精密 度稳压电源 检测 COB 板 将不合格的板子重新返修 第九步 点胶 采用点胶机将调配好的 AB 胶适量地点到邦定好的 LED 晶粒上 IC 则用黑 胶封装 然后根据客户要求进行外观封装 第十步 固化 将封好胶的 PCB 印刷线路板放入热循环烘箱中恒温静置 根据要求可设定 不同的烘干时间 第十一步 后测 将封装好的 PCB 印刷线路板再用专用的检测工具进行电气性能测试 区 分好坏优劣 与其它封装技术相比 COB 技术价格低廉 仅为同芯片的 1 3 左右 节约空间 工艺成熟 但任何新技术在刚出现时都不可能十全十美 COB 技术也存在着需要另配焊接机及封装机 有时速度跟不上以及 PCB 贴片对环境要求更为严格和无法维修等缺点 某些板上芯片 CoB 的布局可以改善 IC 信号性能 因为它们去掉了大部分或全部封装 也 就是去掉了大部分或全部寄生器件 然而 伴随着这些技术 可能存在一些性能问题 在 所有这些设计中 由于有引线框架片或 BGA 标志 衬底可能不会很好地连接到 VCC 或地 可能存在的问题包括热膨胀系数 CTE 问题以及不良的衬底连接 基本由三种种类 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 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 5050 贴片 LED 节能灯二类 由 3528 或 5050 贴片中功率 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 大功率 LED 节能灯 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 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 光电参数定义及其详解 2 1 LED 发光原理 LED 的实质性结构是半导体 PN 结 核心部分由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片 在 P 型半导体和 N 型半导体之间有一个过渡层 称为 PN 结 其发光原理可以用 PN 结的能 带结构来做解释 制作半导体发光二极管的半导体材料是重掺杂的 热平衡状态下的 N 区 有很多迁移率很高的电子 P 区有较多的迁移率较低的空穴 在常态下及 PN 结阻挡层的限 制 二者不能发生自然复合 而当给 PN 结加以正向电压时 由于外加电场方向与势垒区的 自建电场方向相反 因此势垒高度降低 势垒区宽度变窄 破坏了 PN 结动态平衡 产生少 数载流子的电注入 16 空穴从 P 区注入 N 区 同样电子从 N 区注入到 P 区 注入的少数载 流子将同该区的多数载流子复合 不断的将多余的能量以光的形式辐射出去 2 2 可见光谱 光是一定波长范围内的一种电磁辐射 电磁辐射的波长范围很广 最短的如宇宙射线 其波长只有千兆兆分之几米 10 14 10 15m 最长的如交流电 其波长可达数千公里 在电 磁辐射范围内 只有波长为 380nm 到 780nm 的电磁辐射能够引起人的视觉 这段波长叫做 可见光谱 如图 2 1 所示 图 2 1 电磁辐射波谱 图 2 1 中所标数均以基本单位表示 即频率为赫兹 Hz 波长为米 m 由于使用上 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 述单位时 波长的数值太大 有必要使用更小的单位来度量可见光谱的波长 由此采用了 标准毫微米 又称纳米 符号为 nm 此处 1nm 10 9m 人眼能起视觉反映的最长和最短波 长 780nm 和 380nm 它们分别处在光谱的红色端与紫色端 在电磁辐射范围内 还有紫外线 x 射线 射线以及红外线 无线电波等 可见光 紫外线和红外线是原子与分子的发光辐射 称为光学辐射 X 射线 射线等是激发原子 内部的电子所产生的辐射 称为核子辐射 电振动产生的电磁辐射称为无线电波 对于人 来说 能为眼睛感受并产生视觉的光学辐射称为可见辐射 不能为眼睛感受 也不产生视 觉的光学辐射称为不可见辐射 因而 光学辐射可进一步分为可见辐射和不可见辐射 来 自外界的可见辐射刺激人的视觉器官 在脑中产生光 颜色 形状等视觉印象 而获得对 外界的认识 不可见辐射刺激眼睛时不能产生视觉 而作用在皮肤上有时会产生其它感觉 如紫外线产生疼痛感觉 红外线产生灼热感觉 严格地说 只有那种能够被眼睛感觉到的 并产生视觉现象的辐射才是可见辐射或可见光 简称光 本文所指的光也就是这个定义上 的光 2 3 LED 发光器件光度学参数的测量 相关光度学与辐射度学参数有 1 光通量 v Luminous Flux 通过发光二极管的正向电流为规定值时 器件光学 窗口发射的光通量 2 发光强度 Iv Luminous Intensity 光源在单位立体角内发射的光通量 可表示为 IV d d 3 相对光谱能量 功率 分布 P Relative Spectral Distributions 在光辐射 波长范围内 各个波长的辐射能量分布情况 4 峰值发射波长 p Peak emission Wavelength 光谱辐射功率最大的值所对应的波 长 5 光谱半波宽 Full Width Half Maximum FWHM 峰值发射波长的辐射功率的 1 2 所对应两波长的间隔 2 3 1 LED 光通量 在辐射度学上 LED 辐射通量 E用来衡量发光二极管在单位时间内发射的总的电磁功 率 单位是 W 瓦 它通常表示 LED 在空间 4 度范围内 每秒钟所发出的功率 LED 光源 发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分 称为光通量 V 单位是流明 lm 与辐射 通量的概念类似 它是 LED 光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 量 但要考虑人眼对不同波长的可见光的光感觉是不同的 国际照明委员会 CIE 为人眼对 不同波长单色光的灵敏度作了总结 在明视觉条件 亮度为 3cd m2以上 下 归结出人眼标 准光度观测者光谱光效率函数 V 它在 555nm 上有最大值 此时 1W 辐射通量等于 683lm 如图 2 2 所示 其中 V 为暗视觉条件 亮度为 0 001cd m2以下 下的光谱光视 效率 图 2 2 明视觉和暗视觉条件下的光谱光效率函数 明视觉条件下 辐射量向光通量的转化表达式可以表示为 2 1 dV 683 780 380 EV 暗视觉条件下 辐射量向光通量的转化表达式可以表示为 2 2 dV 1700 780 380 EV 通常的测量以明视觉条件作为测量条件 并且在 LED 的测量时 为了得到准确的测量 结果 必须把 LED 发射的光辐射功率收集起来 并用合适的探测器 应具有 CIE 标准光度观 测者光谱光效率函数的光谱响应 将它线性地转换成光电流 再通过定标确定被测量的大小 20 2 3 2 LED 发光强度 发光强度的概念要求光源是一个点光源 或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光 探测器的距离相比足够小 表示为 IV d C d 式中 d 是点光源在某一方向上所张的 立体角元如图 2 3 所示 V V WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 图 2 3 点光源的发光强度 但是在 LED 测量的许多实际应用场合中 往往是测量距离不够长 光源的尺寸相对太 大或者是 LED 与探测器表面构成的立体角太大 在这种近场条件下 并不能很地保证距离 平方反比定律 实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同 从而严格地说并不 能测量得到真正的 LED 的发光强度 为了解决这个问题 使量测结果可通用比较 CIE 推荐使用 平均发光强度 概念 照射在离 LED 一定距离处的光探测器上的光通量 V与由探测器构成的立体角的比值 其 中立体角可将探测器的面积 S 除以测量距离 d 的平方计算得到 如图 2 7 所示 因而有如 下表达式 I 2 3 V 2 V dS 从物理上看 这里的平均发光强度的概念 不再与发光强度的概念关联得那么紧密 而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关 CIE 关于近场条件下的 LED 测量 有两 个推荐的标准条件 CIE 标准条件 A 和 CIE 标准条件 B 这两个条件都要求 所用的探测器 有一个面积为 1cm2 相应直径为 11 3mm 的圆入射孔径 21 表 2 1 CIE 推荐的近场标准条件 CIE 推荐LED 顶端到探测器的距离 d立体角平面角 全角 标准条件 A 316mm0 001sr2o 标准条件 B 100mm0 01sr6 5o 2 3 3 LED 相对光谱能量分布 P 发光二极管的相对光谱能量分布 P 表示在发光二极管的光辐射波长范围内 各个 波长的辐射能量分布情况 通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示 如图 2 4 所示 表示各个不同颜色 LED 的相对光谱能量分布曲线 一般而言 LED 发出的光辐射 往往由 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 许多不同波长的光所组成 而且不同波长的光在其中所占的比例也不同 LED 辐射能量随 着波长变化而不同 绘成一条分布曲线 相对光谱能量分布曲线 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 图 2 4 绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得 LED 光谱响应曲线 人眼 感光 图 2 4 LED 光谱分布曲线 其中 1 蓝色 InGaN GaN 发光二极管 发光谱峰p 460 465nm 2 绿色 LED 发光谱峰p 550nm 3 红色的 LED 发光谱峰p 680 700nm 4 红外 LED 发光谱峰p 910nm 5 硅光电二极管 2 3 4 LED 的峰值波长p 和光谱半波宽 LED 相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长p 和光谱半波宽 这两个参数表 示 无论什么材料制成的 LED 都有一个相对光辐射最强处 与之相对应有一个波长 此 波长为峰值波长 它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定 光谱半波宽 定义为相对光谱能量分布曲线上 两个半极大值强度处对应的波长差 如图 2 5 所示 它标志着光谱纯度 同时也可以用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度 LED 的发光光谱的半宽度一般为 30 100nm 光谱宽度窄意味着单色性好 发光颜色鲜明 清晰可见 22 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 图 2 5 光谱半波宽 2 4 LED 发光器件色度学参数的测量 相关色度学参数有 1 主波长 D Dominant Wavelength 任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按 一定比例与一个参照光源 如 CIE 标准光源 A B C 等 能光源 E 标准照明体 D65等 相 混合而匹配出来的颜色 这个光谱色就是颜色的主波长 2 CIE 光谱三刺激值 X Y Z Spectral Tristimulus Values X Y Z 为颜色的三 刺激值 它们的数值表示了三原色匹配该颜色时相互之间的比例 3 色度坐标 x y z Chromaticity Coordinates 三刺激值中的每一刺激值与其 总和之比 4 纯度 P Purity 样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示该样品颜色的纯度 5 色温 TC Color Temperature 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐 射的颜色相同时 称黑体的温度 TC 为光源的色温度 在光度学中对于 光 的定义 是相对于可见光而言 它所具有的波长范围在 380 780nm 之间 但是 这区间中 不同波长的辐射进入人眼的颜色感受不同 例如 波 长为 700nm 的 LED 辐射所引起的感觉是红色 波长为 580nm 的 LED 辐射引起的感觉是黄色 波长为 510nm 的 LED 辐射引起的感觉是绿色 波长为 450nm 的 LED 辐射引起的感觉是蓝色 等等 表 2 2 列出了不同色觉的波长范围 所以 LED 光的颜色与进入人眼的光辐射的相 对光谱能量分布有关 当进入到眼睛的光谱辐射波长发生改变或者它们的相对光谱能量分 布发生改变时 人眼对光的颜色感受也随着发生变化 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 表 2 2 各种颜色光线的波长 光色波长 nm 代表波长 红 Red 780 630 700 橙 Orange 630 600 620 黄 Yellow 600 570 580 绿 Green 570 500 550 青 Cyan 500 470 500 蓝 Blue 470 420 470 紫 Violet 420 380 420 2 4 1 CIE 标准色度学系统 CIE 色度学系统是以色光三原色 RGB 为准 以光源 物体反射和配色函数计算出 X Y Z 刺激值 任何色彩都可以由 RGB 混色而成 再经过仪器测出光谱辐射能量和反射 率值 即可计算出 XYZ 三刺激值 由三色学说的原理 任何一种颜色可以通过红 绿 蓝 三原色按照不同比例混合来得到 可是 给定一种颜色 采用怎样的三原色比例才可以复 现出该色 以及这种比例是否唯一 是需要解决的问题 只有解决了这些问题 才能给出 一个完整的用 RGB 来定义颜色的方案 2 4 2 颜色匹配实验 把两个颜色调整到视觉相同的方法叫颜色匹配 颜色匹配实验是利用色光加色来实现 的 在一块白色屏幕上 上方投射红 R 绿 G 蓝 B 三原色光 下方为待配色光 C 三原色 光照射白屏幕的上半部 待配色光照射白屏幕的下半部 白屏幕上下两部分用一个黑挡屏 隔开 由白屏幕反射出来的光通过小孔抵达右方观察者的眼内 人眼看到的视场范围在 2 左右 被分成两部分 在此实验装置上可以进行一系列的颜色匹配实验 待配色光可以 通过调节上方三原色的强度来混合形成 当视场中的两部分色光相同时 此时认为待配色 光的光色与三原色光的混合光色达到色匹配 不同的待配色光达到匹配时三原色光亮度不 同 可用颜色方程表示 23 24 C R G B 2 4 RGB 式中 C 表示待配色光 R G B 代表产生混合色的红 绿 蓝三原色的单位量 分别为匹配待配色所需要的红 绿 蓝三原色的数量 称为三刺激值 RGB 表示视觉上相等 即颜色匹配 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 2 4 3 CIE RGB 光谱三刺激值 国际照明委员会 CIE 规定红 绿 蓝三原色的波长分别为 700nm 546 1nm 435 8nm CIE RGB 光谱三刺激值是 317 位正常视觉者 用 CIE 规定的红 绿 蓝三原色光 对等能光谱色从 380nm 到 780nm 所进行的专门性颜色混合匹配实验得到 的 1931 年 CIE 给出了用等能标准三原色来匹配任意颜色的光谱三刺激值曲线 如图 2 6 所示 这样的一个系统被称为 CIE RGB 系统 图 2 6 CIE RGB 光谱三刺激值 在上面的曲线中 曲线的一部分三刺激值是负数 这表明不可能靠混合红 绿 蓝三 种光来匹配对应的光 而只能在给定的光上叠加曲线中负值对应的原色 来匹配另两种原 色的混合 对应于在公式 2 4 中的权值会有负值 由于实际上不存在负的光谱强度 而 且这种计算极不方便 不易理解 人们希望找出另外一组原色 用于代替 CIE RGB 系统 因此 1931 年的 CIE XYZ 系统利用三种假想的标准原色 X 红 Y 绿 Z 蓝 以便使 我们能够得到的颜色匹配函数的三刺激值都是正值 2 4 4 1931CIE XYZ 系统 根据 CIE 推荐的红 R 绿 G 蓝 B 三原色的波长为 700nm 546 1nm 435 8nm 它 们在 1931CIE RGB 系统和 1931CIE XYZ 系统的坐标为 r g b WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 RGB 系统色度坐标 XYZ 系统色度坐标 r g b x y z R 1 0 0 0 7347 0 2653 0 0000 G 0 1 0 0 2737 0 7174 0 0089 B 0 0 1 0 1665 0 0089 0 8246 对于光谱波长为的颜色刺激 其 r g b 色度坐标对 x y z 色度坐标的转换关系为 x 20063 1 13240 1 66697 0 20000 0 31000 0 49000 0 bgr bgr y 2 5 20063 1 13240 1 66697 0 01063 0 81240 0 17697 0 bgr bgr z 20063 1 13240 1 66697 0 99000 0 01000 0 00000 0 bgr bgr 用上式计算出 1931CIE RGB 系统中各波长的光谱在 1931CIE XYZ 系统中的相应的色 度坐标 并将各波长的普线的坐标点连接起来就成为 1931CIE XYZ 系统色度图 如图 2 7 所示 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 图 2 7 1931CIE XYZ 系统色度图 在求得个光谱波长的 x y z 的基础上 应用公式 2 6 可以计算出 1931CIE XYZ 色度系统中的光谱三刺激值 为 x y z z z y y x x 1 x y z 由 1931CIE RGB 系统转换得到的 三条曲线称为 1931CIE XYZ x y z 标准色度观察者光谱三刺激值 如图 2 8 所示 这组曲线分别代表匹配各波长等能光谱刺 激所需要的红 X 绿 Y 蓝 Z 三原色的量 国际照明委员会规定 1931CIE XYZ 系统的 与人眼的光谱光效率函数 V 一致 即所以 有 y V x y x V y V z y z 图 2 8 1931CIE XYZ 标准色度观察者光谱三刺激值 x y z 2 6 2 7 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 2 4 5 CIE 色度坐标及主波长计算方法 要确定LED器件的发光颜色 可以用颜色的色度坐标及其主波长来描述 颜色感觉是由 于LED光辐射源的光辐射作用于人眼的结果 因此 颜色不仅取决于光刺激 而且还取决于 人眼的视觉特性 根据前面的论述 V 如果已知器件的相对光谱能量P 分 y 布函数 根据CIE的规定 那么由它引起的CIE三刺激值X Y Z可以按下式计算 K为调整 因数 X K 780 380 dxP Y K 780 380 dyP Z K 780 380 dzP 在实际计算色度坐标 X Y Z 时 常用求和来代替式 2 8 的积分式 X K 780 380 xP Y K 780 380 yP Z K 780 380 zP 式 2 8 和式 2 9 中的 X Y Z 即为 1931CIE 色度系统中的三刺激值 由式 2 8 和 式 2 9 计算得到 X Y Z 三刺激值后可求得 LED 发光器件的色度坐标为 x ZY X X y ZY X Y 得到 LED 发光器件的色度坐标 该发光体颜色的主波长不难获得 为了说明 主波长 的概念 从前面的定义得知 需要一个参照照明体 如图 2 9 在色度图中心的 WE点代表 等能白光 它由三原色的各三分之一单位混合而成的 其色度坐标为 XE 0 3333 YE 0 3333 ZE 0 3333 可以把它当做参照照明体 S1代表某一实际颜色 连接 WE和 S1并延长与光谱轨迹线相交于 d点 则d为 S1的主波长 25 根据加混色定 2 8 2 9 2 10 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 律 S1可以用 WE和光谱波长为 d的光谱色相混合而获得 图 2 9 CIE1931 色度图 在图 2 9 中 d 565nm 称 565nm 为颜色 S1以 WE为参照照明体的主波长 由于选择不同 的参照照明体有不同的色度坐标 对不同的颜色有不同的主波长 所以 在说明主波长时 应附注所对应的参照照明体 色度学中另一个重要的参数是纯度 为了了解这个参数 首先必须了解色度图 如图 2 7 得到 LED 光源在色度图上的色度坐标后 选定坐标值 XE 0 3333 YE 0 3333 的点 为等能白光点 如果某光源位于色度图的点 F 其纯度定义为 自 W 向 F 作一直线 与单 色光轴相交于 G 距离 WF 占总长 WG 的百分数即为 F 的纯度 即 P 100 2 11 WG WF 图 2 7 中 F 点的纯度为 75 G 点的纯度为 100 2 4 6 色温的概念 当某辐射体与绝对黑体在可见光区域具有相同形状的光谱功率分布时的温度 称为该 辐射体的色温 所谓黑体 是指能够完全吸收由任何方向入射的任何波长的辐射的热辐射 体 不同温度下 绝对黑体的色度坐标见表 2 3 将表 2 3 色度坐标画于色度图上 即得 到图中的黑体迹线 当某一光源的色坐标 x y 位于色度图上的黑体迹线时 就以黑体的 绝对温度定义为该光源的色温 26 27 但是 有许多光源的色度坐标并不在黑体迹线上 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 就引出相关色温的概念 即在色度图上 和某一光源的色度坐标点相距最近的那个黑体的 绝对温度就定义为该光源的相关色温 表 2 3 绝对黑体的色度坐标 T Kxy 5000 7210 279 10000 6520 345 15000 5860 393 18000 5490 408 20000 5260 413 23000 4950 415 50000 3450 351 60000 3220 331 70000 3060 316 100000 2800 288 240000 2500 253 0 2400 234 2 5 LED 发光器件的电参数的测量 LED 发光器件相关电性参数 1 正向电压 VF Forward Voltage 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 2 反向电压 VR Reverse Voltage 被测发光二极管器件通过的反向电流为确定值时 在两极间所产生的电压降 3 反向电流 IR Reverse Current 加在发光二极管两端的反向电压为确定值时 流过 发光二极管的电流 2 5 1 LED 的伏安特性 LED 的 I V 特性表征 LED 芯片 PN 结制备性能主要参数 LED 通常都具有图 2 10 所示的 较好的伏安特性 LED 的 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 28 29 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 图 2 10 LED 的 I V 特性 1 正向截止区 图 oa 或 oa 段 a 点对于 V0 为开启电压 当 V Va 外加电场尚未 克服不少因载流子扩散而形成势垒电场 此时电阻很大 开启电压对于不同 LED 其值不同 GaAs 为 1V 红色 GaAsP 为 1 2V GaP 为 1 8V GaN 为 2 5V 2 正向工作区 电流 IF与外加电压呈指数关系 IS为反向饱和电流 V 0 时 V VF的 正向工作区 IF随 VF指数上升 3 反向截止区 V 0 时 PN 结加反偏压 V VR时 GaN 反向漏电流 IR V 5V 为 10uA 4 反向击穿区 V VR VR称为反向电压 VR电压对应 IR为反向漏电流 当反向偏压一 直增加使 V VR时 则出现 IR突然增加而出现击穿现象 由于所用化合物材料种类不同 各种 LED 的反向击穿电压 VR也不同 D 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 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 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 具功率的合适的散热器 光扩散效果柔和不见点光源的灯罩 4 二 LED 照明灯具基本知识 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 1 主要 LED 照明灯具类型 1 居家照明灯具的配置及要求 客厅 主灯 LED 筒灯 LED 天花射灯 LED 照画灯 LED 壁灯 LED 落地灯 LED 台灯 LED 轮廓灯 LED 室内照明灯具图片 餐厅 LED 餐吊灯 LED 照画灯 LED 吧台灯 卧室 LED 卧房灯 LED 壁灯 LED 镜前灯 LED 床头柜台灯 LED 小夜灯 书房 LED 吊灯 LED 吸顶灯 LED 工作台灯 儿童房 LED 卧房灯 LED 吊线灯 LED 壁灯 LED 台灯 LED 护眼台灯 LED 小夜灯 卫生间 LED 防水壁灯 LED 防水顶灯 LED 镜前灯 LED 小夜灯 厨房 LED 厨房吸顶灯 LED 厨柜灯 阳台 LED 吸顶灯 2 商场 LED 照明和酒店 LED 照明 LED 筒灯 LED 射灯 LED 调光灯 LED 地灯 LED 日光灯 LED 吸顶灯 LED 吊灯 LED 床头 灯 LED 落地灯 LED 台灯 LED 壁灯 LED 夜间灯 3 娱乐场所 办公照明 LED 射灯 LED 灯杯 LED 天花灯 LED 筒灯 LED 日光灯 LED 吸顶灯 LED 壁灯 6 2 LED 节能灯优劣鉴别 LED 节能灯因其具有节电效果明显 使用寿命长 无频闪效应 无噪声 光线柔和工 作电压范围宽等特点而日益受到消费者的欢迎 但是目前市场上的 LED 节能灯很多 质量 良莠不齐 如何在灯具店琳琅满目的节能灯中选购自己满意的产品呢 通过 五看 可鉴别 节能灯的优劣 介绍如下 一看包装和商标 国家强制要求 LED 灯具生产厂家产品在外包装上标出以下内容 额定电压 电压范围 额定功率 额定频率 一般说来 优质产品的商标印刷质量好 字体清晰 不易脱落 用 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 软湿布擦拭 标志清晰可辨 不易擦掉 有生产厂家的商标及相关认证标志 伪劣产品印 刷质量差 字体模糊 易擦除 无生产厂家的商标及相关认证标志 二看 LED 灯管外观 真正的 LED 节能灯 是用三基色管 管白 用手遮住看 更白 另外 从灯管上看 可把多只灯放在一起比较 灯管形状和尺寸一致性较好的多为机器弯折成型 多是大规模 生产的产品 产品的一致性好 质量较容易得到保证 维修时的互换性较佳 当然 外观 上还不能有裂缝 松动和接口间被撬过的痕迹 在安装 拆卸过程中 灯头不应有松动 歪头现象 灯的塑料壳必须选那种工程塑料阻燃型的 普通塑料易变形且易燃 是禁止用于节能 灯生产的 从表面上可简单判别二者 后者表面较光滑 有光泽 前者表面有类似磨沙玻 璃的质感 三看工作时的温度 LED 节能灯在正常工作状态下 其温升应很低 否则 LED 节能灯寿命很短 同时 节 能灯点亮时 有很快的闪动 要么很刺眼波动 都说明该节能灯存在质量问题 四看启动性能 LED 节能灯启动有两个特性 一是温度越高启动越容易 二是灯关掉 不会闪 另外 值得一提的是 不少 LED 节能灯一开很暗 这对灯泡寿命不利 LED 节能灯应在其内部设 有电源电路和 PCB 板子 五看干扰情况 在我国 电磁兼容性已是电器必须通过的项目 然而 此项目检测很复杂 用户购灯时一 看包装上是否有通过国家电磁兼容性测试的标志 二是带一个中短波收音机 当灯工作时 把收音机置于附近 收音要中短波无电台处发出的噪音越低 被测灯的电磁兼容性就越 好中山地区的工厂价格每瓦普遍在 5 7 元左右 超过 7W 后 指的是光源类产品 灯具类 的 就是带外壳的如豆胆灯 导轨灯等 额外在 15 35 元 中高档的每瓦在 10 15 元左右 其它基本同上 出口到欧美这些国家的产品符合相关品质 要求的都要 15 20 元每瓦 如果你的灯珠不是用边角料的蕊片 国产的环氧树脂 荧光粉也不管是啥能激发就行等等 的话 加上恒源隔离电源 进口的电容等元器件 光电源就要 15 30 元 成本最少也要 10 元每瓦左右 具体可能上高工 LED 精品商城参照一下 外加利润 工厂的营运 真正有 名有姓有牌照的工厂 如果不是这样的工厂 说关门就关门 质保就一点保障都没了 WWW SZZNLC COM LED 投光灯 LED 路灯 LED 洗墙灯 LED 隧道灯 你可以上高工 LED 精品商城看一看 厂家直销 品种最全 价格最低 都国内品牌 LED 大 厂 质保方面可以完全放心 原则上按 W 数计量 旧年是 20 元 W 现在是 10 元 W 左右 但要看是什么灯泡 5MM 灯 珠最低 3528 帖片适中 5050 帖片比较高 大功率心片最高 蕊片大少不同 又要分单金 线和双金线 有的还是用铜线的 价格比较难定 要全面了解后才能定位 不是一两句话 可以说得清楚的 中山地区的工厂价格每瓦普遍在 5 7 元左右 超过 7W 后 指的是光源类产品 灯具类的 就是带外壳的如豆胆灯 导轨灯等 额外在 15 35 元 中高档的每瓦在 10 15 元左右 其它基本同上 出口到欧美这些国家的产品符合相关品质 要求的都要 15 20 元每瓦 如果你的灯珠不是用边角料的蕊片 国产的环氧树脂 荧光粉也不管是啥能激发就行等等 的话 加上恒源隔离电源 进口的电容等元器件 光电源就要 15 30 元 成本最少也要 10 元每瓦左右 具体可能上高工 LED 精品商城参照一下 外加利润 工厂的营运 真正有 名有姓有牌照的工厂 如果不是这样的工厂 说关门就关门 质保就一点保障都没了 你可以上高工 LED 精品商城看一看 厂家直销 品种最全 价格最低 都国内品牌 LED 大 厂 质保方面可以完全放心 原则上按 W 数计量 旧年是 20 元 W 现在是 10 元 W 左右 但要看是什么灯泡 5MM 灯 珠最低 3528 帖片适中 5050 帖片比较高 大功率心片最高 蕊片大少不同 又要分单金 线和双金线 有的还是用铜线的 价格比较难定 要全面了解后才能定位 不是一两句话 可以说得清楚的 3 LED 灯常见问题的处理 1 LED 运行一会变暗 是流经开关电源引线的电流过大所致 可检查一下引线的电流 总和是否超过开关电源输出的电流值 如是 应更换电源引线 2 LED 刚通电时很亮 过一段时间后突然不亮了或亮度衰减 可检查开关电源是否是 12V 的 LED 错用成了 24V 的 3 如果没有问题 则检查开关电源的输入电压是否为 220V 若 LED 亮度偏高或者偏低 则检查开关电源的输入电压和输出电压是否正常 如电压超高 会导致 LED 烧坏 若电压偏 低 会导致 LED 不亮或亮度衰减 如用户所在地电压很不稳定 可建议用户加装稳压器 WWW