LED照明基础篇幻灯片.ppt

LED基础篇,目录一、认识LED二、LED的构造三、LED的光、电参数四、LED的分类五、LED的包装与存储六、LED的使用注意事项七、LED的驱动方式,LED是发光二极管（Light-EmittingDiode）的简称，是一种将电能转化为光能的半导体电子元件。常见的有充电器指示灯，广告牌，奥运会“水立方”等。自LED问世以来，LED以其寿命长、节能、体积小等优点逐渐替代了白炽灯、氖管等。,认识LED,水立方,半导体：常温下，导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。N型半导体（N为Negative的字头）：在硅（或者锗）晶体中掺入少量的杂质元素而形成的半导体，这种半导体中含有较多的自由移动电子，由于电子带负电荷而得此名。P型半导体（P为Positive的字头）：在硅（或者锗）晶体中掺入另外类型的杂质，含有较多的“空穴”（相当于正电荷）。PN结：在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。,如果将半导体的材料换成由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成，在外电场推动下，N区的电子向P区注入，P区的空穴朝N区移动，在PN结附近进行复合时所辐射出来的能量就成了光能。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。,LED的构造,小功率,大功率,LED芯片：整个LED的核心部件，是由磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。银胶：用来固定芯片和导电的。模条：又称散热脊柱，用来支撑芯片和导出芯片的温度。金线：连接并导通芯片的焊垫与支架。金线的组成是金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.2mil等。支架：用来导电和支撑。由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层。有带杯型支架和平头支架，如左图的5MM支架是用来做窄光束的LED，而平头支架是用来做散射型LED。透镜：对LED芯片进行封装保护，主要用于大功率LED。市场上常见的有两种类型：PC透镜和硅胶透镜。荧光粉：用来制作白光LED，在蓝光芯片上点荧光粉，使之发出白色光。,大陆LED芯片厂商：三安光电简称（S）、上海蓝光（Epilight）简称（E）、士兰明芯（SL）、大连路美简称（LM）、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪晶源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电子、乾照光电、晶达光电、深圳方大，山东华光、上海蓝宝等。国外LED芯片厂商：CREE，欧司朗（Osram），流明（LUMILEDS），普瑞（Bridge），首尔半导体，惠普（HP），日亚化学（Nichia），丰田合成，大洋日酸，东芝、昭和电工（SDK），旭明（Smileds），Genelite，韩国安萤（Epivalley）等。台湾LED芯片厂商：晶元光电（Epistar）简称：ES、（联诠、元坤，连勇，国联），广镓光电（Huga），新世纪（GenesisPhotonics），华上（ArimaOptoelectronics）简称：AOC，泰谷光电（Tekcore），奇力，钜新，光宏，晶发，视创，联胜（HPO），汉光（HL），光磊（ED），鼎元（Tyntek）简称：TK，曜富洲技TC，燦圆（FormosaEpitaxy），国通，联鼎，全新光电（VPEC）等。华兴（LedtechElectronics）、东贝（UnityOptoTechnology）、光鼎（ParaLightElectronics）、亿光（EverlightElectronics）、佰鸿（BrightLEDElectronics）、今台（Kingbright）、菱生精密（LingsenPrecisionIndustries）、立基（LigitekElectronics）光宝（Lite-OnTechnology）、宏齐(HARVATEK)等。,LED的光学参数,光通量（F，flux）：单位lm，即流明。led在单位时间内发出的光的总量；（可用光度分布计）光强（I,intensity）：单位坎德拉，即cd。在给定方向上单位立体角内发出的光通量，它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮。（可用亮度计测试）发光角度：又称功率角度，通常使用半功率角度，即50%光强测试到的角度。靠改变透镜、支架、模条或卡点等工艺来变换角度，总共有三大类：A、标准型：一般25-45B、高指向型：一般5-20C、散射型：一般45-180,色温TC：以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，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，将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。1600K5000K16000K此参数是LED颜色一致性的一个重要体现，色温段越窄，一致性越好，比如3000K色温LED，一般可以正负100K的范围，如果要求很高，可以限制色坐标。,左图为CIE色品图，CIE是国际发光照明委员会，他们在1930年制定的一套色彩技术标准，一直沿用至今。在限制LED色差上最严格的标准应该是限制其在CIE色拼图上的色坐标。比如3000K的LED如果色坐标偏上，LED发出的光就偏绿，如果色坐标偏下就会偏红。,显色指数（CRI）：LED光还原物体本身颜色的能力，最好的显色指数是100。（可用积分球仪器测试）目前市场上LED的显色指数做的好的能达到85-90，比如CREE/OSRAM等，国产封装的LED一般在75左右。LED的显色指数与光通量是呈反比的关系，同一个芯片封装的LED，为了提高其光通量就只能压低其显色指数。光效：单位瓦数发出的光通量，单位LM/W。照度（lx）：单位勒克斯，反应物体被照亮的程度，单位面积上接收到的光通量。1lx=1lm/m（照度计测试）,LED的电参数特性,伏安特性曲线,1、LED的正向特性：如图CREE-XPG系列，只有当LED两端加的正向电压的大小足以克服LED的内电场而使PN结导电时，LED才能够发光，即LED存在开启电压，超过开启电压的值产生正向电流LED才能亮，但正向电流不能超过LED的最大正向电流，否则会破坏LED的PN结，击穿LED。LED芯片不同，正常点亮所需要的电压也不同，比如红色、黄色LED正常点亮时的电压在1.8-2.4V左右，而绿色、白色、蓝色LED正常点亮时的电压在3.0-3.8V左右。一般开启电压略低于正常点亮时的电压。,2反向特性在分析PN结加上反向电压时，已知少数载流子的漂移运动形成反向电流。因少数载子数量少，且在一定温度下数量基本维持不变，因此，反向电压在一定范围内增大时，反向电流极微小且基本保持不变，等于反向饱和电流Is。当反向电压增大到UBR时，外电场能把原子核外层的电子强制拉出来，使半导体内载流子的数目急剧增加，反向电流突然增大，二极管呈现反向击穿的现象。二极管反向击穿又分为电击穿和热击穿，利用电击穿二极管被反向击穿后，就失去了单向导电性。可制成稳压管，而热击穿将引起电路故障，使用时一定要注意避免二极管发生反向热击穿的现象。,LED的电参数,主要参数（1）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。（2）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管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。(5)正向工作电流If：它是指发光二极管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0.6IFm以下。(6)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。,在外电场的推动下，电子和空穴在PN结附近复合时辐射出的能量要穿透LED芯片本身的半导体介质，还要穿透外部封装介质才能够到达外界，这样就只有一部分光能变成了我们能够感知的光，这部分热量可以以出光效率来衡量，而另外一部分就以非辐射复合的形式损耗掉产生热能，所以PN结会有热量产生。当LED两端有电流通过时，PN结的温度会升高，而升高的温度又会加剧这种非辐射复合，导致发光量减小。一般把芯片上PN结的温度，称为结温，因LED的芯片尺寸非常小，所以我们通常也把芯片的温度称之为LED的结温，单位。热阻：在热平衡条件下，规定的两点之间的温度差与产生这个温度差所消耗的功率之比。单位是/W，或是K/W，计算公式R=T/Pd.PN结与银胶之间，银胶与模条之间等组成LED的各个结构层之间均存在热阻，在LED电流通道上的各种结构层之间的热阻之和总称为LED的热阻，单位/W。,LED的温度特性,与热阻相关的参数,导热系数：与物体的密度、结构、含水率、温度等有关。通常情况下，含水率小、温度较低时的导热系数小。PCB板及PCB板与型材之间的导选用热膏都需要良好的导热性能，所以在选择时要选择高导热系数的。导热系数简写为P.单位为w/(k*m)。导热系数是物体的固有属性，热阻与导热系数之间的换算公式为。Rth=H/（P*S)。由以上公式可以看出，要想降低热阻，则需要提高所用材料的导热系数，在PCB板与散热器之间的散热膏，既要有很好的导热系数，也要尽量涂得薄且均匀。,结温对LED光参数的影响,LED的结温越高，光输出也会减少，则光衰会越快，所以在选择LED时不仅要关注光参数，更要注意结温和热阻，这些参数直接决定了LED的寿命,LED结温的计算方法,市场上LED的热阻，各不相同，好的LED热阻可以做到6/W或者9/W比如CREE、OSRAM等，中等的可以做到10-12/W，再次之的可以做到15/W，所以在选择LED时，热阻需要作为一个重点考核的指标，且务必要给对方要到热阻测量的记录。一般LED供应商会提供一份产品规格书，规格书上提供的结温，一般是指LED能够承受的最大结温，超过这个数值LED会发生不可恢复的光通量衰减，且色温也会发生漂移，目前国产市场上LED的最高结温在110-120之间，而CREE的LED的最高结温能够做到150。所以如果选定了一款LED，为保证灯具的光品质，是先要计算出LED的结温，才能确定这款灯具的电参数，比如电流等。Tj=Ta（负脚温度）+Rth（热阻）*u（输入电压）*i（输入电流）举一例说明LE结温的粗略计算方法：如果LED负脚温度为85，LED两端的电压是3.3V，电流是0.4A，那此时LED结温是多少？,LED的分类,额定功率分类：一般把1W及以上的LED称之为大功率，常见的大功率LED有1W/3W/10W等；0.06W，0.2W的为小功率LED；百毫瓦级的则为中功率LED。封装形式分类：在封装类我们又将分为二类，一为直插式LED，如圆头、草帽、钢盔、食人鱼等；二为SMD贴片式LED，如3528、2835、5050、3020、5630等,圆头5LEDa、额定功率：0.06Wb、额定电流：20mA,钢盔LED额定功率：0.06W额定电流：20mA,草帽LED额定功率：0.06W额定电流：20mA,5050LEDa、额定功率：0.2Wb、额定电流：60mA,5051LEDa、额定功率：1Wb、额定电流：350mA,5630LEDa、额定功率：0.5Wb、额定电流：150mA,3020LEDa、额定功率：0.06Wb、额定电流：30mA,3528LEDa、额定功率：0.06Wb、额定电流：20mA,仿流明封装LED额定功率：3W额定电流：750mA,CreeXPELEDa、额定功率：3Wb、额定电流：1000mA,COB系列：chiponboard顾名思义，就是通过粘胶剂或焊料把多个LED芯片直接封装在PCB板上，再通过引线键合来实现芯片与PCB板间电互联的一种LED,提高了功率密度，降低了LED的热阻，目前COB市场已经很成熟。我们公司暂未使用的原因：1、成本高2、发光面大，配光要求高3、散热要求高，对结构要求苛刻,1、体积小：LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。2、电压低：LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。3、寿命长：在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。4、环保：LED是由无毒的材料构成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。5、节能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%左右，较节能灯减少40%左右。,LED的主要特点,6、响应时间快：LED灯的响应时间为纳秒级。7、LED的正向特性：LED具有普通二极管的单向导电特性。,a、LED引脚：长脚为正极，短脚为负极。b、LED底面边缘：平面为正极，凸面为负极。c、极杆：阳极杆为正极，阴极杆（有发射碗的）为负极。,F5LED极性区分,SMD贴片LED极性区分如右图所示，缺角为负极。SMD贴片LED品种较多，初次使用时用万用表检测，确定极性后在使用。,CreeXPE：白色小点为正极（图一）。仿流明LED：支架宽面为正极；窄面为负极（图二）。CreeXBD：这类LED表面没有标识，需用万用表检测（图3）。,为保护回流焊LED，通常来料会选择防静电真空包装袋，仓库在验货时应检查包装袋有无破损，如发现包装袋如右图所示，应拍下照片通知采购返回给供应商。储存环境：温度:20-30湿度:60%RHMax本产品极容易受潮，所以拆开LED防静电包装后7天内必须使用完，如果干燥剂受潮，或者LED超过正常储存时间，需进行烘烤去潮处理：温度605条件下烘烤24小时，再用真空包装袋包装，并储存在干燥处。,LED的包装与存储,LED的使用注意事项,静电损坏的LED的产品,1、防静电处理（尤其冬天衣服摩擦带电）,防静电镊子,防靜電無塵衣,離子風扇,靜電手環,桌墊接地,人員接地,防靜電椅,防静电工作台,2、不要堆积带LED的PCB,堆放含回流焊LED的PCB组件时，不要使所有重量都集中在LED透镜上，外来的压力会使LED透镜脱落或者会破坏金线。堆放时，应在LED透镜上方留出至少2CM的距离。请不要用发泡袋直接包装带有LED的PCB组件来自发泡袋装的力会使LED透镜部分受磨损，导致LED亮度降低，或者挤压透镜并使得金线变形。,LED的驱动方式,直流稳压（DC）：大小和方向都不变的电压源，我们公司常用的为DC24V驱动AC（交流）：电流方向随时间周期性变化的电流，常用的单相AC220V、三相电AC380V。我们采购的交流电源输入电压为AC220V。恒流：电流大小和方向都恒定不变。常规的大功率LED驱动电流为恒流330mA。PWM：脉宽调制DMX512：一种信号传输协议,LED驱动电路的基本要求1、安全：不会发生爆炸、短路等事故，以免对自己或他人造成伤害或损失。2、稳定：（1）LED正常工作（2）各个元件布局合适，且正常工作（3）抗干扰3、简单合理：电路越简单，系统就越可靠。另外，与结构配合要合理，方便工人操作。4、经济实惠：合理地选择元器件，根据实际需要选择适当价位的元件。,LED驱动设计思路,读懂LED规格书，了解LED的特性。,选择驱动方式,电路原理图设计,模拟仿真，可行性论证,电路板设计,试板，改进方案,确立方案,1、电阻限流方式：小功率LED2、恒流驱动方式：中、大功率LED3、调光控制：效果设计,LED常用的驱动方式,电阻限流方式（以3528为例）,1、原理：欧姆定律2、电阻：一种电子元件，导体的一种特性，表示导体对电流阻碍作用的大小。表达符合R，单位欧姆。,3528LEDa、额定功率：0.06Wb、额定电流：20mA,a、若LED电压为3V，回路的电流I=?b、如何选择R？,思考：A、不加电阻会如何？由LED特性曲线知，电压很小的波动，