LED照明基础知识培训0715教程.ppt

1、,LED灯具基础知识 培训,湖南中科泰通热能科技发展有限公司,中科泰通热能,目 录,一、LED基本知识,二、热学基础知识,三、光学基础知识,四、LED驱动电源知识,LED Light,Emitting,Diode ：（半导体）发光二极管一种当有,一定正向电流通过时能发射出一定波长的光，即可以将电能转化为光 能的半导体器件。,一、 LED基本知识 （一）、什么是LED？,环氧树脂管体 正极引脚,芯片 反射杯 负极引脚,电极引线 金线 塑料管壳,塑料透镜 硅胶灌封 芯片 热沉,大功率LED,普通直插式LED封装,（二）、LED的基本结构 LED的基本结构由芯片、金线、管体、透镜、热沉、电极引线等部

2、 分组成。 金线,1、按安装方式分 直插式,LED灯（LED Lamp） 食人鱼LEd（Piranha LED）,贴片式,2、按功率大小分 小功率LED：额定工作电流If,100mA（单芯片）,大功率LED：大功率LED：额定工作电流If100mA（单芯片),PCB LED,Top View LED,SideView,LED,（三）、LED的基本类型,3、按发光颜色分,单色光LED,暖白光：Tc3500K 正白光：3500KTc5700K 冷白光：Tc5700K,R,G,W B,C,M,双色LED：任意两种单色光的组合 全彩LED：红绿蓝（RGB）三原色的组合 白光LED Y,芯片集成COB模

3、组,4、按芯片组合数量分,单芯LED 多芯LED,能级跃迁复合模型,能量,导带 禁带，Eg P型载流子 （空穴）,N型载流子 （电子） 价带,（四）、LED的发光原理 1、LED的核心是芯片，它决定着LED的基本光色电特性。 2、LED芯片由三个基本功能区组成： P型半导体，多数载流子是空穴； N型半导体，多数载流子是电子； P型区与N型区之间的PN结，通常会形成1至5个周期的量子阱。,3、当电流通过电极作用于芯片时，N型区的电子和P型区的空穴被推向PN 结，在多量子阱内电子跟空穴复合，复合所产生的能量以光（有效复合 ）和热（无效复合）的形式释放，这就是LED发光的基本原理。,电学模型,If,

4、（电子）,V,（光子）,Vf, ： 300,400,500,600,700,800,（nm）,紫外 发光二极管发出的光的颜色由其中的化学物质决定,制造LED的材料不同 ，可以产生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所发出光的波长， 也就是光谱或颜色 ,所以就是制造LED的材料和电流来决定发光的光波,4、半导体材料的特性决定着LED的光电参数：,(3)蓝色芯片+黄色荧光粉 （YAG/TAG/硅酸盐） 白 光,(1)RGB三基色芯片混 色 白光， 或BY双芯片互补混色 白光,(2)UV芯片+RGB荧光粉 白光,5. LED的白光生成原理,（五）、LED的优点,节能、环保、寿命长、响应快、安全、灵

5、活,继煤油灯、白炽灯、气体放电灯之后的第四代革命性照明光源,白炽灯 卤钨灯,荧光灯 高压钠灯,三基色 荧光灯 金卤灯,节能灯 无极灯,1、1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出GaAsP红,光,LED(0.1lm/W); 2、1968年，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm/W，并能发出 红光、橙光和黄色光； 3、1971，具有相同效率的GaP绿色LED出现； 4、80年代早期，开发出AlGaAs LED； 5、1990年，HP公司开发出AlInGaP LED； 6、1994年，日本科学家中村修二发明GaN蓝光LED； 7、20世纪90年代后期，研制出通过蓝光

6、激发YAG荧光粉产生白光的LED。,（六）、LED的发展历史,lm/W,发 光 效 率 （,）,荧光灯,未加滤光的白炽灯 加黄色滤光的白炽灯 加红色滤光白炽灯 10倍提升/10年 LED发光效率的进展,二、 热学基础知识,1、为什么要做热学设计,由于受整个LED产业链的各种技术制约，目前大功率LED使用中 只有20%左右的电能以发光的形式表现出来，而其余80的电 能都转化成为热能，而这些热能对LED会产生致命的损伤，所 以如何能让LED在照明过程中产生的热量及时有效的传导出来 ，从而使LED保持长时间的持续可靠工作，也是目前LED灯具应 用的关键技术。,2、结温对LED的影响,1) 发光强度降

7、低，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率 效率也 会随之减少，芯片结温越高，发光强度下降 越快。,2) 发光主波长偏移，当LED 的温度升高时，LED 的波长的 大致变化规律为每升高10 度，波长红移1nm，主波长的变化 将会引起混色效果的变化，还会偏移黄色荧光粉的激发峰值 ，致使转换效率下降。,3) 严重降低LED 的寿命，加速LED 的光衰。,LED相对光输出随结温的变化曲线,(a)是CREE公司生产的XLamps系列产品,(b )是LUMILEDS公司生产的LUXEON K2系列产品,LUMILEDS生产的LUXEON K2系列产品结温与寿命的关系,LED结温与寿命关系曲线,3、散热方式,

8、(1) 按热的传导方式有三种：对流、传导、辐射,对流是指透过热的物质的运动来实现热的传递。这意味着，热能是 来自于被气体或者液体所包围热源，透过分子的移动来实现热能的 传递的。根据对流的散热的方式又分为自然对流和强制对流。,传导是指分子之间的动能交换，能量较低的粒子和能量较高的粒子 碰撞从而获得能量(是透过物理的直接接触)，单独的一块散热片是 不能实现热能的传导的。传导是散热片从芯片获得热量的最主要途 径.,辐射是指热能从热源以电磁的形式(由光子传送)直接发散出去。辐 射可以在真空中进行。辐射的传热效能取决于热源的材料以及表面 的颜色。,(2)按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种,主

9、动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带 走，其特点是散热效率高，而且设备体积小.,被动式散热就是通过散热片将热量自然散发到空气中。因为是自然散 发热量，效果不是很好，其散热的效果与散热片大小成正比。其最大 的优点就是不需额外耗电，而且不用担心有风扇坏掉的危险。在LED 灯具中这种散热方式最常用。,4、散热片常用材质,各种金属材料以及常用合金热传导系数 ：,银: 429W/mk 铜 :401W/mk 金: 317W/mk 铝 :237W/mk,1070型铝合金 :226W/mk 1050型铝合金 :209W/mk 6061型铝合金 :155W/mk 6063型铝合金 : 20

10、1W/mk,从以上数值可以看出银和铜是最好的导热材料，其次 是金和铝。但是金、银太过昂贵，所以，目前散热片主要 由铝和铜制成。其中又由于铜密度大，工艺复杂，价格较 贵,所以现在通常的风扇多采用较轻的铝制成,5、其它常见的散热技术,散热片散热 热管散热,均热板散热 半导体制冷 风扇散热 水冷散热,散热片与铝基板之间传热主要通过传导途径，主要通过散热片与铝 基板之间的直接接触实现。导热硅脂的意义在于填充二者之间的空隙接 触出更加完全，保证导热性。而由于硅油对温度敏感性低，低温不变 稠，高温下也不会变稀，而且不挥发，所以能够使用比较长时间。,1.导热硅脂（导热、粘接、密封）,特点和用途：,良好的热传

11、导性，提高敏感电路及元器件的可靠性，延长使用寿命。 耐候、耐化学腐蚀、耐热。,户外运用可免除紫外光、臭氧、水分和化学品的不良影响。,广泛用于电子、电器等行业的弹性粘接、导热及密封。导热硅胶片,2.导热硅胶片 特点和用途：,良好的热传导性与绝缘性。解决集成芯片不易散热的主要问题，只须将 其附与发热芯片上，同金属散热块有相同效果。,绝缘、减震、抗冲击，工作温、湿度范围广（-40+150）。 产品为片状形式可任意裁切，使用简单。,6、铝基板与散热器的连接,7、 LED灯具热设计的优化措施,1.降低芯片的热阻 2.优化热通道 （1）通道结构,长度（L）越短越好； 面积（S）越大越好； 环节越少越好；,

12、消除通道上的热传导瓶颈,（2）通道材料导热系数越大越好;,（3）改良封装工艺，令通道环节间的界面接触更紧 密可靠。,3.强化电通道的导/散热功能,4.选用导/散热性能更高的出光通道材料,三、光学基础知识,(一). 光的基本概念,光在介质中传播，是能量的一种形态，是电磁波的一种（与无 线电波和视频波相同），是整个电磁波谱中极小范围的一部分。 当光进入人眼时将产生视觉感受，人们这才感受到多彩的世界； 光的强弱是一种感觉现象而取决于人眼的灵敏度和它本身的特性；,电磁辐射谱,能够引起人眼视觉部分380nm-780nm,LED光谱图,各种颜色光谱分布,常见七种光色与波长对照表,峰值波长：无论什么材料制成

13、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

14、长波。,发光波长及其光谱特性,谱能 量分 布图,日光光谱能量分布图 三基色荧光灯光谱能量分布图,真彩荧光灯光谱能量分布图 白光LED光谱能量分布图,几种 常用 光源 的光,(二)、常用光学术语 1.光通量,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,2.光强,光源在某一给定方向的单 位立体角内发射的光通量 称为光源在该方向的发光 强度，简称光强。,高流明LED灯具专家,3.照 度,入射到单位面积上的光通量称为照度 ，即 ，单位勒克斯（lx）。1lm的光 通量均匀分布在1m2的平面上所产生的 照度为1lx,4.亮度(luminance),亮度

15、是指发光体（反光体）表面发光（ 反光）强弱的物理量。人眼从一个方向 观察光源，在这个方向上的光强与人眼 所“见到”的光源面积之比，定义为该 光源单位的亮度，即单位投影面积上的 发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方 米（cd/m2）,眼,灯具,光通量,光强,照度,亮度 对象物,光通量，光强，照度，亮度之间的关系,眩光,对比眩光,失能眩光,光源太近，光线太亮,镜面、金属面、,光漆面，成像屏幕 反射眩光 视觉适应后，增加光源或增大亮度,5、眩光 眩光：由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致 引起不舒适感觉或降低观察目标细部能力的视觉现象，统称眩光。 对比过大，光源较近,高流明L

16、ED灯具专家,值。,光源效率（lm/w）=,流明（lm）,耗电量（w） 即每一瓦电力所发出的量，其数值越高表示光源效率越 高，所以，对于点灯时间较长的场所，如办公室、走廊、 隧道等，光源效率通常是一个重要的考虑因素。,综合效率（lm/w）=,流明（lm） 系统耗电量（w）,6.光源效率: 光源效率是以其所发出的光的流明除以其耗电量所得之,Ra95,7.显色指数 光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程 度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也 就较接近的自然原色，显色性低的光源对颜色的再现较差，我 们所看到的颜色偏差也较大在光源照射下的色彩的再现度的数 值表示以Ra

17、100为基准光，数值越低，与基准光差异越大。,Ra75,显色指数分类,8.色温,一个黑体被加热到一定的温度时开始发出暗红色光，温度再升高 光的颜色变成黄白色、白色、兰白色。我们把发出某颜色光时物 体的温度称为该颜色的色温.,办公室、阅览室、教室、,冷的气氛 爽快的气 氛 稳重的气 氛,清 凉 (带蓝的白色) 中 间 (白) 温 暖 (带红的白色),5700K 3500- 5700K 3500K,气氛效果,光,色,色,温,高照度场所，加热车间， 或白天需补充自然光的房 间 诊所、机加工车间、仪表 装配 卧室、客房、病房、酒 吧、餐厅,应用场所举例,D N D,常用字母,低色温的是暖色，高色温的是

18、冷色,不同色温的应用场所,高流明LED灯具专家,10000 K,早晨的阳光（偏蓝的光）,6000 K 5000 K 2000 K,中午的阳光 下午的阳光 黄昏的阳光（偏红的光）,自 然 光,9.CIE色度图,国际照明委员会(简称,CIE)的色度图发展于1931 年，是以科学化方法标示 颜色的规范之一。它表明 了某一光源的顏色或在給 定照明情況下物体表面所 反射的光的顏色。,黑体轨迹线,黑体的色温值分布于CIE,色三角形并形成一条曲线， 即黑体轨迹线，也被称作 普朗克轨迹。任何具有光 谱能量分布的类似黑体的 光源都会在普朗克轨迹上 找到它对应的色温。,影响照明质量的要素:,照明源,被照物,人眼,

19、电源 光源 灯具 控制器,吸收 反射 透射 光泽度,生理效应 视见函数 大脑 心理效应,光洁度 能源管理 光谱特性 生物效应,照明的三大要素,(三).LED照明四种基本配光手段,1.配光曲线的定义,配光曲线又叫发光强度分布曲线，三维空间里用矢量表示，把矢量的 终端连接起来，构成封闭的光强体，当光强体被通过z轴线的平面截割 时，在平面上获得一封闭的交线此交线以极坐标的形式绘制在平面 图上，就是灯具的配光曲线。,(四)、灯具的配光曲线,2.配光曲线表达方式 配光形式一般用：极坐标和直角坐标形式表达,极坐标方式表达,直角坐标方式表达,3.配光种类,配光种类一般有：朗伯型、准直型、蝙蝠翼型等；又有轴对

20、称，对称，非对 称等。,配光平面与立体形式,配光曲线与光斑对应图,路灯非成像光学技术应用,四、LED驱动电源知识,（一）、驱动电源的概念,1.什么是LED驱动,LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发 光的电压转换器。,2.LED为什么须驱动电源,因为led灯珠的额定电压电流是低压直流（1.8-4V之间、20毫 安至700毫安不等），而我们除了一些特定的灯具以外，其他 都是直接用交流市电输入来点亮灯具，所以必须要有一个驱动 器来把高压交流的输入电流转换为led适用的低压直流电流。 即使是12V或者24V蓄电池直接直流输入，电池也存在充满状态 电压高和即将放电完毕状态电压低的

21、问题，换言之也就是电压 也会有波动，电压的波动会影响led灯珠的寿命，所以必须都要 适用驱动器,CD段：反向击穿区 LED的反向电压一般不要超过 10V，最大不得超过15V，否则就会出现反向 击穿，导致LED报废。,LED伏安特性曲线,3.LED的伏安特性 OA段：正向死区 VA为开启LED发光的 电压。比如红色（黄色）LED的开启电压 一般为0.20.25V。 AB段：工作区在这一区段，一般是随着电压增 加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。 但在这个区段内要特别注意，如果不加任何 保护，当正向电压增加到一定值后，那么LED 的正向电压会减小，而正向电流会加大。如 果没有保护电路，会因电流增

22、大而烧坏发光 二极管。 OC段：反向死区 LED加反向电压是不 发光的（不工作），但有反向电流。这个 反向电流很小，一般在几A之 内,4.LED照明驱动电源的工作原理,（二）、LED连接电路的常见形式,1.串联,这种电路需要电源提供较高的电压。,V总=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4- -+VF N,I总=单颗LED的IF值,串联电路,2.并联,这种电路需要电源能提供较高的电流。,V总=单颗LED的VF 值,I总=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4- -+IFN,并联电路,先串后并,先并后串,3.串联/并联组合 a、在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的

23、LED阵列； b、将LED连接成串联/并联组合的形式，可大幅减低因少数LED 的VF不一致造成的影响； c、阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化。 d、串联/并联组合的形式会使输出电流随输入电压和环境温度 等因素而发生的变化更加显著；,4.各种连接形式优缺点,A 恒压产品的 PCB恒压串接原理 12V：3Pcs*3.4V+100*0.018A=12V,24V：6Pcs*3.4V+200*0.018A=24V , 7Pcs*3.4V+0=24V （带驱动转换电路的不在此列）,B 简单以LED功率计算：灯珠功率*颗数/0.8=总功耗,例：A27 0.018A（额定电流）*3.2V（灯珠V

24、F）*27颗/0.8=1.944W C 按电路功率计算：,例：A27-12V 每路3颗LED串联，共9路相并，共27颗草帽LED 得出：0.018（每路电流）*9路*12V=1.944W,注：如果是高压输入的话，整个产品的功率还以LED灯板的功率除 以电源的转换效率；,大功率LED在多颗串接之后，在恒流（高电流350/700mA）输入时瞬 间产生的电压峰值易冲击烧坏灯珠。所以使用此类产品时注意先接低 压部分，再接高压部份。,5.LED产品的功率计算,（三）、LED驱动电源的选择,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。,高效率：LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯 具内的结构，尤为重要。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。对延缓L