led节能照明系统的与应用毕业设计

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一牙定翁，弯则雕会止促票使皇P利N金结警内甜的秧一蚊部白分逃载辽流惹子印复挨合令发运光跌，湖还名有港一稳部野分山变蒙为皆热克能拐，料使兄节没温兼升股高班。项若丝节狠温胖为撤T拨j它外扇部贸环熔境掌温缠度泰为堆T森a伸，节则押时饮，滩L语E眨D牌内门部替的其热顶量街借库助边管历座尾向王外雨释敬放咏，具散冷发丝的必热旧量迫可净以阀表王示般为遇。响应时间：响应时间从使用角度来看，就是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。2.2LED的光学特性发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。半导体的光学特性[4]及其材料性能可以用于发光照明。LED光学特性：①发光法向光强及其角分布Iθ：发光强度（法向光强）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θ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Iθ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（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）。②发光峰值波长及其光谱分布：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。③光通量：光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F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）。④发光效率和视觉灵敏度：它是评价具有外封装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。⑤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。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（尼特）。⑥寿命：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。3照明用白光LED技术从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光（SSL）产品的发展很快，被认为是照明市场上的主要革命性进步[3]。白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。LED照明光源的主流将是高亮度白光LED。3.1白光LED技术原理所谓白光是由多种颜色混合而成的光。人类眼睛所能见到的白光形式至少需两种光混合如二波长（蓝光+黄光）或三波长（蓝光+绿光+红光）。目前是二波长蓝光单芯片加上YAG黄色荧光粉，在未来较看好的是三波长光，以无机紫外光芯片加R、G、B三基色荧光粉。未来三波长LED的应用将取代荧光灯、节能灯，白光LED的市场将是巨大的，LED节能照明也将得到更加广泛、深入的应用。白光LED的特性：在白光LED设计中，通常在发射蓝光的InGaN的基料上覆盖转换材料于是得到混合的白光。白光是不同波长的光的混合，所以，白光LED不可能有一个特定的波长，可用色坐标定义白光LED。在白光LED数据中，色坐标随正向电流增大而变化。正向电流的变化可以改变白光的质量。当正向电流高至101mA时，正向电压的变化很大，变化量的范围大约在800mV（部分白光LED的变化会更大）。白光LED工作电压的变化改变其发光色彩，是因为工作电压的变化改变了正向电流。对于不同的白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大的差异。白光LED的发光效率和演色评鉴指数：光源的发光效率（K），能量效率是指输入功率W转换成光量子的百分比；发光效率用K（lm/W）表示。波长为时单一波长的发光效率可由式表示为。演色评鉴指数Ra，演色评鉴方法依照CIE的规定执行。一般照明用白炽灯可分为日光灯（色温为6500K）与灯泡（色温为2850K）两种。这两种不同色温的白炽灯的色温值都落在CIE所制定的条例轨迹上，即使是荧光灯的色度值也需要按照CIE的规定。一般是高效率白光LED的基本条件，室内装潢照明和阅览书籍时的Ra则需要大于95。表1白光LED的种类及发光原理芯片数激发源发光材料发光原理1蓝光LEDInGaN/YAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光蓝光LEDInGaN/荧光粉InGaN的蓝光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光蓝光LEDZNse由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光紫外LEDInGaN/荧光粉InGaN的紫外光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光2蓝光LED黄绿LEDInGaNGaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白光LED3蓝光LED绿光LED红光LEDInGaNAlInGaP将发三原色的三种小片封装在一起，构成白光LED多个多种光色LEDInGaNGaPAlInGaP将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白光LED目前白光LED产品发光原理如表1。其中主要以两种方式发光。以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射次荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可以得出肉眼所需的白光。照明用白光LED的开发基础在于蓝光技术。蓝光LED基片安装在碗形发射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层200-500nm。蓝光LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄色光混合，可以得到白色光。对于InGaN-YAG白光LED改变YAG的化学成分和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。结构如图2所示。1：LED芯片发蓝光2：LED荧光粉发黄光图2LED封装结构图3.2照明用白光LED技术要求（1）要有高的发光效率。照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求。光通量：照明的白光功率LED希望达到1Klm。不过光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率的功率LED也能满足要求不高的照明需要。由于白炽灯的效率较低，仅为8lm/W，所以一个15W白炽灯的光通量与5W（25lm/W）的白光功率LED器件相当。发光效率：目前产业化产品已从15lm/W提高到25lm/W，研究水平为32lm/W，最高已达到44.3lm/W。色温：为2500-6000K，最好在2500-3500K。显色指数Ra，最好达到100至少应该大于80。稳定性：用于照明的白光LED的波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照场合的要求而定。（2）光的分配必需均匀，并能有效的控制，可以开关或改变强度而不影响其寿命。（3）相关色温或简称色温，一般白炽灯的色温在2850K，使人感觉轻松与舒适，适用与卧室等处；办公室所用所用光源色温在4000-5000K，是柔和的白光；白天的光色温约6500K，适合与工厂，所以一般色温都应该在这些范围内。（4）品质因数FOM。用品质因数FOM值可以比较不同官员的实际价值。（3）其中，是观点转换效率；K是发光效率；是斯托克斯位移效率，也就是当光由另一波长转换的效率，当光波长405nm转换为540nm时，。表2中列出用不同波长产生白光时的FOM以及与470nm相对的FOM值。表2在不同波长LED上添加荧光粉所产生白光的特性芯片主波长/nm470405380相对于470nm晶片的电光转换效率1.01.51.0发光效率/(nm/W)330330300斯托克斯频移0.800.750.70品质因数264369210相对于470m波长时的品质因数变化0%+40%-20%3.3白光LED驱动电路技术白光LED是照明领域的主流，其驱动电路技术至关重要。驱动器相当于白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.0-4.3V的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED，满足驱动电流的要求。3.3.1白光LED驱动器的要求及分类驱动器的主要要求：驱动器应有升降压功能，以满足电池供电的要求；应该有高的功率转换效率；在多个白光LED串联时，要求白光LED的电流相匹配，是亮度均匀；功耗低，静态电流小，并具有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应该小于1；白光LED的最大电流可以设定，使用过程中可以调节光的亮度；有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、输出开路或短路保护；小尺寸封装，并要求外围组件少而且小，所占印制板面积小；对其它电路的干扰影响小；使用方便，加为低。从供电电压，一般将驱动器分三类，由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率的白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式（升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；大于5V供电，有稳压电源或蓄电池供电，它主要用于降压式或升降压式DC/DC变换器；直接由市电110V或220V或相应的高压直流40-400V供电，主要用于驱动大功率白光LED，采用升压式DC/DC变换器驱动电路。电荷泵式驱动器可数去的电流已从几百毫安升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下。对于采用LDO电路的驱动器，不用外围期间和价格低，为优点，但是转换效率略低，并且电池常不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要由于1节锂离子电池的场合，并且学要用正向电压低的白光LED。可以用白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型[9]。3.3.2常见典型白光LED驱动电路白光LED驱动电路的特点是：白光LED的正向电压VF非常高，VF本身具有一定的波动范围，全开工作时会使白光LED的耗电量增加，电源电压变化会影响白光LED的亮度。为了使白光LED能稳定工作，且不受电压VF波动及电源电压波动影响，所以必须使用专门为驱动白光LED而设计的DC/DC变换器。DC/DC变换器有电感是DC/DC变换器及电荷泵式DC/DC变换器两大类[10]。最近几年行动电话、PDA等可携式电子产品的液晶显示器逐渐从黑白银幕更换成彩色银幕，由于液晶本身不会发光所以液晶显示必需利用背光照明单元显示银幕的信息。可携式电子产品的背光照明单元基于耗电性等考虑，因此白光LED正当快速取代传统灯泡，成为背光照明单元主要发光组件。为了使白光LED点灯必需使用高顺向电压VF与顺向电流IF，尤其是背光照明单元的电流控制，对可携式电子产品的电池动作时间具有绝对性影响，因此探讨白光LED背光照明单元的驱动原理与驱动电路的设计技巧。如图3所示传统背光照明单元的白光LED是并联驱动，由于白光LED的亮度取决于电阻的阻抗值。然而白光LED的电压VF本身具有不同的波动范围，因此相同的电阻会使白光LED的亮度产生分布不均现象。图3传统背光照明单元的白光LED并联驱动方式因电压波动引起白光LED亮度不相同时，背光照明单元的光线就会有照明不均匀的问题。虽然使用电器特性相同的白光LED可以改善亮度不均匀问题，但实际上无法获得电气特性相同的白光LED。应根据个白光LED的电气特性，逐一调整负载电阻。但是，实际上这种方式不是解决问题的方式。为使白光LED的电流相同，可以用串联方式如图4所示的方式。由于电流I相同，亮度几乎一致。图4传统背光照明单元的白光LED串联驱动方式当多个白光LED串联时，必须等比例提高电压。如图5所示，利用开关变压器NJM2360的白光LED驱动电路。电路的基准电压VREF为1.25V，加在VIN端子。此方式中电阻RL的阻止决定了影响白光LED亮度的个LED的电源ILED，ILED可以有公式3-3得到：（6）假设个LED的电流ILED为15mA，RL约为830Ω，三只3.6V的白光LED串联联接时，LED整体的驱动电压VLED为：式中：N为串联连接的白光LED数。图5驱动白光LED电路半导体照明是本世纪最具发展前景的高技术领域之一，白光LED将成为21世纪的新一代光源，可以替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，白光LED孕育着巨大的商机[11]它将成为一种理想的环保照明系统。传统的白炽灯采用的是热发光技术，90%的电能以热辐射形式散发出来，不仅浪费能源，而且会使室内外温度升高，增加空调等设施的用电量，在一定程度上增加了地球的温室效应。因此，LED照明将越来越占据重要地位。3.4高效率白光LED技术发展使用荧光体与光触媒所构成的紫外线LED的开发，尤其波长为382nm、外部量子效率为24%的GaInNLED是在已作过凸凹加工的蓝宝石上使用选择性长晶GaN基板，因此可以降低结晶的转位密度并提高内部量子效率，如果在加上覆芯片化结构，则更加突显取光效率。在高温环境才下施加压力将波长几乎与LED一致的透明状GaP粘贴上去，便可将光取出效率提高两倍。如图6中外形呈梯状结构的LED是对光取出效率所作的改善。图6AlGaInP系TIP-LED结构为获得完美的高演色性（），基本上白光LED可分为单芯片型和多芯片型两种方式：一种是同时点亮红、绿、蓝三色LED产生白光；另一种是利用蓝光或紫外光LED作为级法源，激发荧光体获得白光。此外，单芯片型的技术方向，是改变活性层的性质，利用单纯的半导体产生红、绿、蓝三色光，进而获得白光。多芯片型方式碍于各颜色LED的驱动电压、发光效率、配光特性的差异，以及色温的特性、组件的寿命等，激励实用化还存在许多问题有待解决。单芯片性因为组件种类单纯，具有驱动电路设计容易等有点。（1）单芯片型如InGaNLED（蓝）/YAG荧光粉，InGaNLED（蓝）/YAG荧光粉+绿荧光粉，InGaN（紫外）/(红+绿+蓝)荧光粉Cree。（2）双芯片型，可以由蓝光LED+黄光LED、蓝光LED+黄绿光LED以及蓝绿光LED+黄光LED制成。这种器件较为便宜，但是由两种颜色形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。（3）三芯片（红+绿+蓝）LED，采用波补偿和光通量反馈方法可使色移降低到可以接受的程度。（4）四芯片（红+绿+蓝+黄）LED，采用465nm、535nm、590nm、625nm的LED芯片可以制成Ra大于90的白光LED。（5）组件的配列，照明用的LED需要将多个LED做系统的最佳组合。目前多芯片组合封装的高亮度LED得到迅速发展[5]3.5照明用白光LED封装和散热问题LED的密集排列组成白光照明系统，热量的耗散问题是功率型LED应用的先决条件[8]。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。在应用大功率LED做为照明系统时，国外对其散热问题也做了大量的研究。3.5.1白光LED的封装技术LED的核心发光部分是由P型和N型半导体构成的PN结管芯，当注入PN结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。如下图7所示为1.3W一种的高功率LED封装图[6]。图71.3W高功率LED封装不同颜色的5mmLED随着时间变化不会以同样的方衰减。在20mA的电流下，5mm封装LED的衰减如图8所示[7]。红光LED的光输出衰减速率较白光LED慢，而绿光和蓝光LED则以中等的速率衰减。自光封装在一个与外界嗝离的灯具中，环境温度将影响白光白的充输出衰减速率。图85mm封装LED的衰减情况随着大功率白光LED封装技术的发展，可以通过减小白光LED结点与插脚间的热阻，把封装外壳做成扁平状、缩短节点与插脚间的距离来缩短传输的距离。同时引线的支架的直径更大，引脚增大，并使用热传导性能较好的材料制作，能使热量更快的散发出来。使用耐高温的环氧数值，解决了高温的散热问题，因此可以利用大芯片进行封装，致使其工作电流可由一般的20mA增大到350mA、700mA甚至1000mA，其功率可以达到1W、3W甚至5W。这种封装的辐射视角很宽，因此该白光LED的光效率很高，所以，信号灯中使用的白光LED只需要十几只，甚至几只，常见的LED台灯也是如此。常规白光LED与功率白光LED在信号灯中的应用有些不同：如材料不同，一般白光LED用环氧树脂作安装版，而功率白光LED需要使用铝基线路板（MPCB）；生产工艺不同，一般白光LED使用波峰焊接或手焊接均可，而功率白光LED需要使用贴片焊机；结构要求不同；配光设计不同，使用寿命不一样等。3.5.2散热问题及解决散热技术是影响取光效率的重要要素。对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。设发光二极管的热阻为Rth（℃/W），热耗散功率为PD（W），此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为：(4)PN结结温为：(5)其中TA为环境温度。由于结温的上升会使PN结发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象。另外，随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，约0.2-0.3nm/℃，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白色LED来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光效率，并导致白光色温的改变。对于功率发光二极管来说，驱动电流一般都为几百毫安以上，PN结的电流密度非常大，所以PN结的温升非常明显。对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命。LED的密集排列组成白光照明系统，热量的耗散问题是功率型LED应用的先决条件[7]为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括热沉、粘结胶等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。其次结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发。同时，要从工艺上确保，热量按照预先设计的散热通道及时的散发出去。4LED节能照明的应用LED节能照明的应用，是随着对LED发光技术的研发而进一步发展的。在对不同需求电路要求中，其驱动电路也不尽相同。（一）前景及发展趋势目前，照明