LED节能照明系统的研究与应用 优秀论文 定稿

1、 LED教室集中照明设计与应用 姓名:专业: 测控技术与仪器 班级:0701 学号: 0702040102目 录0 概述 11 LED节能照明技术概况 21.1 传统照明技术简介 21.2 LED照明发展简介 31.3 LED优点 32 照明用LED主要技术特性 42.1 LED的电学特性 42.2 LED的光学特性 52. 3 LED的节能程度62.4 LED的散热方式63 照明用白光LED技术 91010123.3.1 白光LED驱动器的要求及分类 123.3.2 常见典型白光LED驱动电路 133.4 高效率白光LED技术发展 143.5 照明用白光LED封装和散热问题 153.5.1

2、白光LED的封装技术153.5.2 散热问题及解决164 LED集中照明的应用 175 结语 18参考文献 18LED 概 述 LED是英文 Light Emitting Diode的简称,是一种具有两个电极的半导体发光器件,让其流过小量电流就会发出可见光,第一个商用二极管产生于 1960年。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的支架上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以 LED的抗震性能非常好。LED 的构成 LED 因其颜色不同,而其化学成份不同: 如红色 :铝-铟-镓-磷化物 绿色和蓝色: 铟-镓-氮化物 白色和其它色都是用RGB 三基色按适当的比例混

3、合而成的。 (LED 的制造过程类似于半导体,但加工的精度不如半导体,目前成本仍然较高)LED 工作原理和结构图 LED是英文light emitting diode的缩写,即:光线激发二极管,属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由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p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把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。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。 当它处于正向工作状态时(即两端加上

4、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,光的强弱与电流有关。打个比方,LED就像一个汉堡,可以发光的材料是夹层中的“肉饼”,而上下的电极就是夹肉的面包。而通过对其中发光材料的研究,人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件,但是无论怎么变化,LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化LED 的优点: 10 万小时超长寿命; 可组成各种颜色如 RGB 等 驱动相对简单无需触发电压 节能,效率比白灯高,并有进一步提高的潜力体积小,灯具设计灵活响应时间短; 环保:无有害金属汞。 低压,安全性高 LED目前在照明行业中的主要应用范围:建筑物外观照明

5、娱乐场所及舞台照明 室内空间展示照明道路、景观照明 标识与指示性照明交通信号灯、视频屏幕 市面上常见的LED 灯具有如下: LED 地埋灯、LED 水底灯、LED 草坪灯、 LED 轮廓灯、 LED 彩虹管、 LED 灯杯、 LED 投光灯、LED射灯、 LED地砖灯、 LED墙壁灯、 LED球泡等。 随着 LED 光效的提高的、关键技术的不断完善和优化,目前有多家企业推出了太阳能和大功率LED 相结合的太阳能半导体路灯。 常见 LED 的分类1. 按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿) 、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺

6、或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。 2. 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及20mm 等。国外通常把 3mm的发光二极管记作 T-1;把 5mm 的记作 T-1(3/4) ;把 4.4mm 的记作 T-1(1/4)6-8。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类:1高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为520或更

7、小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。 2标准型。通常作指示灯用,其半值角为 2045。 3散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为 4590或更大,散射剂的量较大。 3. 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4. 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED(发光强度小于 10mcd) ;超高亮度的 LED(发光强度大于 100mcd);把发光强度在 10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。1 L

8、ED节能照明技术概况 随着人类文明的进步,照明技术也在迅速发展。早期人类用的是植物油产生光,1976年白炽灯问世,它以碳棒作为灯丝,是照明技术的巨大改进,1938年发明的日光灯可以减少热的损失,节省能源的消耗,这又是一个大进步,后来紧凑型日光灯的开发使其应用更为普遍,同时高压气体放电灯如水银灯、金属卤素灯及钠灯等的发明可在室外实现照明,满足了各方面的需要。目前有21%的电源用于照明,如果能在固体照明领域节省一半的能源,则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。1.1 传统照明技术简介 在19世纪爱迪生发明电灯之前,人类实现照明的方式非常简单,那就是直接借助各种火源的直射光,例如蜡烛、油灯等等。这些发

9、光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月,却因为极低的发光效率和发光质量,只能尘封在历史的博物馆中,进入20世纪后,随着人类新工业革命的爆发,以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备,正式成为人类生产生活中的主流发光设备。 人类社会的电力照明设备大致有这几个重要的发展成果:白炽灯,主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。白炽灯的大部分辐射光是红外线,所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W,一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。钨丝卤素灯,为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度,在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。一般钨丝卤素灯均在高温工作,灯泡也较小

10、,用的是比较坚硬的玻璃壳,其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。日光灯,一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温,目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠,汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯,灯管涂上荧光分以产生白光。低压钠灯,用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高,也比汞活泼,要用抗钠玻璃。大部分应用在街道级公路上。高压汞灯,高压汞灯的一般功率变成热,所以效率不高,但是温度稳定性极佳,大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。高压钠灯,可以产生50-1000W功率,演色性差不适合用于室内照明。金属卤化物灯,是在高压汞灯中加入了其它金属,这样可以改进发光效率及

11、演色性。1.2 LED照明发展简介 LED即 Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写。即:光线激发二极管,属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由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p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把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。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。现在照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯,而以后的希望,就将是白光LED。LED技术可以应用在普通照明、

12、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域1。 应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初,1964年首先出现红色发光二极管,之后出现黄色LED。直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年成功开发出白色LED。LED以其固有的特点,广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域,在我们的日常生活中处处可见,家用电器、 机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制,无法作为通用光源大面积推广。近几年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各

13、种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率提高了近1000倍,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出现,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后,最伟大的发明之一。LED照明的变革将扩展人们的照明观念,更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势2。1.3 LED优点 (1)发光效率高。LED 经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。目前,世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。(2)耗电量少,LED 单管功率0.03-0.06瓦,采用直流驱动,

14、单管驱动电压1.5-3.5伏,电流 15-18 毫安,反应速度快,可在高频操作。(3)使用寿命长,采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用 LED 灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。平均寿命达10万小时。(4)安全可靠性强,发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全抵摸:能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。(5)有利于环保,LED 为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。 LED照明灯具在近期得到飞跃的

15、发展,LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低,因而在家庭照明都将得到海量的应用,欧司朗光学半导体公司2008年调查统计,全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。 LED光源的技术日趋成熟,每瓦发光流明迅速增长,促使其逐年递减降价。以1W LED光源为例,2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一,2009年春将降至2006年的四分之一。 LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、 、MP3之后的消费电子市场的超级海啸! LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。 LED

16、高节能:直流驱动,超低功耗单管0.03瓦-1 瓦电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。 LED长寿命:LED光源被称为长寿灯。固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点,使用寿命可达5万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。 LED利环保:LED是一种绿色光源,环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线,热量低和无频闪,无辐射,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。 LED光源工作特点 照明用LED光源的VF电压都很低,一般VF 2.75-3.8V,IF在15-1400mA;

17、因此LED驱动IC的输出电压是VF X N或VF X 1, IF恒流在15-1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率IF15-20mA和大功率IF200mA二种,小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯;大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件,其发光的强度由流过LED的电流大小决定,电流过强会引起LED光的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此,LED的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。在LED照明领域,要体现出节能和长寿命的特点,选择好LED驱动I

18、C至关重要,没有好的驱动IC的匹配,LED照明的优势无法体现。 2 照明用LED主要技术特性 LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。它具备PN结结型器件的电学特性、光学特性。2.1 LED的电学特性 I-V特性:表征LED芯片PN结性能主要参数。LED的伏安特性具有非线性和单向导电性,即外加正向偏压表现为低电阻,反之为高电阻。如图1所示。 图1 伏安特性曲线 (1)正向死区(图1中的oa段或oa段)。a点电压Va点对于o点电压Vo为开启电压,当VVa时,外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势垒电场,此时电阻R很大。开启电压对不同的LED其值不同,GaAs为1V,红色GaAsP为1.2V,

19、GaP为1.8V,GaN为2.5V。(2)正向工作区,工作电流IF与外加电压呈指数关系: 1式中:IS为反向饱和电流。在VVF的正向工作区,IF随VF的增大呈指数规律上升:2 正向电流IF是指LED正常发光时的正向电流值,在实际使用时应该根据需要选择IF的值的大小,在0.6IFm(IFm为正向工作电流最大值)以下。正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的,一般在时测得的。LED的正向工作电压VF为1.4-3V。在环境温度升高时,正向工作电压VF将下降。(3)反向死区,V0时,PN结加反响偏压。(4)反向击穿区,V-VR,VR为反向击穿电压。与VR对应的电流IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加到

20、使V-VR时,IR将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。 允许功耗P:假设流过LED的电流为IF管压降为VF则LED的功率消耗为。当LED工作时,若外加偏压、偏流一定,则会促使PN结内的一部分载流子复合发光,还有一部分变为热能,使节温升高。若节温为Tj外部环境温度为Ta,则时,LED内部的热量借助管座向外释放,散发的热量可以表示为。 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。2.2 LED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

21、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:发光法向光强及其角分布I: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I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)。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、

22、掺杂杂质)等有关,而与器件的几何形状、封装方式无关。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)。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。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)。寿命:LED发光亮度随着长时间

23、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。 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 (1mil0.0254 平方毫米),目前国际上出现大晶片LED,晶片面积达40mil。其

24、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

25、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。LED的节能程度 LED照明灯具在近期得到飞跃的发展,LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低,因而在家庭照明都将得到海量的应用,欧司朗光学半导体公司2008年调查统计,全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。LED光源的技术日趋成熟,每瓦发光流明迅速增长,促使其逐年递减降价。以1W LED光源为例,2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一,2009年春将降至2006年的四分之一。LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数

26、年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、 、MP3之后的消费电子市场的超级海啸!LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。LED高节能:直流驱动,超低功耗单管0.03瓦-1 瓦电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED长寿命:LED光源被称为长寿灯。固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点,使用寿命可达5万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。LED利环保:LED是一种绿色光源,环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线,热量低和无频闪,无辐射,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以

27、安全触摸,属于典型的绿色照明光源。LED光源工作特点 照明用LED光源的VF电压都很低,一般VF 2.75-3.8V,IF在15-1400mA;因此LED驱动IC的输出电压是VF X N或VF X 1, IF恒流在15-1400mA。LED灯具使用的LED光源有小功率IF15-20mA和大功率IF200mA二种,小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯;大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件,其发光的强度由流过LED的电流大小决定,电流过强会引起LED光的衰减,电流过弱会影响LED的发光强度,因此,LED

28、的驱动需要提供恒流电源,以保证大功率LED使用的安全性,同时达到理想的发光强度。在LED照明领域,要体现出节能和长寿命的特点,选择好LED驱动IC至关重要,没有好的驱动IC的匹配,LED照明的优势无法体现。2.4 LED的散热方式 散热是LED路灯要重点解决的问题。LED是冷光源,不象白炽灯那样产生灼热的高温,但是,LED本身耐温能力比较差,所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去,保证芯片工作在安全的温度环境下,这样LED灯才能真正的体现出长寿命的优势。 LED的管芯和涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的,本身有一定的耐温能力。但是,LED的外壳和管芯之间存在热阻,这个

29、热阻使LED在使用时外壳和管芯之间出现温差,管芯的温度会高于外壳温度。 由于发光管生产技术的进步,大功率发光管内部的热阻越来越低,目前1瓦的发光管的热阻普遍在15度/瓦以下,也就是说,给1瓦的发光管加1瓦的电功率,管芯比管壳的温度只高15度。按照目前发光管管芯材料的耐温水平,管芯温度不超过150度就能长期安全的工作。这样推算,外壳温度135度时可以安全使用。但是,由于外壳封装材料的限制,实际使用中的管壳温度最好不超过70度,这样管芯温度只有85度,发光管的透明封装材料也不会快速老化。长期稳定工作没有问题。因此,没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低,但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻,这

30、样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。 要有效的散热,减小灯的体积和生产成本,灯体必须有合理的散热结构。问题是怎样合理的把发光管产生的热量传导到外壳上,怎样有效的增大外壳和空气的接触面,并且有利于空气在外壳表面上的流动,就是灯体热结构设计要解决的问题。热传导系数自然是越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作高性能散热片。铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在散热片中使用较少

31、。铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,为此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择。各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域。上表中列出的5 种不同铝合金中:AA6061 与AA6063 具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用。ADC12 适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070 铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及A

32、DC12。AA1050 则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片。通过以上分析我们确定了采用AA1O7O 选择一次性压铸成型来实现灯体的制作。d、采用一体化铝合金压铸LED 路灯设计思路:、散热灯壳研究:根据道路照明灯具的功能需要及灯具的防护安全等级的规定,我们将整个灯具分成三部分来设计,整体散热外壳。光源室,电器室,选择AA1070 铝合金压铸一次性成型。散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器,其性能应满足三个要求:吸热快、热阻小、去热快。吸热快:即吸热底与LED 模块间热阻小,可以迅速的吸收其产生的热量。为了达到这种效果,

33、就要求吸热底与LED 模块结合尽量紧密,令金属材料与LED 模块直接接触,最好能够不留任何空隙。散热器的整体热阻就是由与LED 模块的接触面开始逐层累计而来,吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上,因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力,我们在设计灯具时首先满足吸热底有足够的厚度,同时考虑LED 模块的安装孔位进行加筋,也加强了灯具的整体性和机械强度。热阻小:为了提升吸热能力,希望散热片与LED 模块紧密结合,不留任何空隙,压铸出来的表面这是无法实现的。吸热底与LED 模块之间必然存在一定的空隙, 如果空隙中是高热阻的空气,就无法得到良好的导热

34、效果,因此,应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙,这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料,使用它只是权宜之计,并非真正的解决之道,要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力,就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的,通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm 以下,采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm,散热片的吸热底越平整热阻越小,越有利于热量吸收,但由于无法做到完美,涂抹导热膏成为了LED模块安装到散热器的必须步骤,从而达到吸热的最佳效果。去热快,由于我们将LED 模块的吸热底和散热鳍片压铸成一体,即能够将从LED 组吸收的热量

35、迅速的传导到鳍片部分,整个灯体和散热鳍片上部是裸露于空中的,而且我们的鳍片的方向是平行于道路,需要散发的热气与气流方向一致,不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留,进而由流动的气流顺利带走而散发,以最快是速度将热量散发。由于我们在灯体的设计上对整个灯体的上部无任何开口,整体的加工为铝合金一次性压铸成型,在整体的上部不存在渗水和防尘的烦恼,仅对灯体向下方向的光源室和电器室进行防护即可,这样防护问题就简单了,只需采用硅橡胶条进行防水防尘,就能达到IP65 的防护等级。通过以上的研究我们开发的一体化LED 路灯散热灯头,具有吸热快,热阻小,散热顺畅,防护等级高,机械强度好的优点。能将LED 模块结温控

36、制在摄氏60 度以下,这在LED应用照明上具有突破性意义,将LED 照明从可能变为可以。.光源室配光研究:LED 光源之所以适合用于局部照明,是由于LED 模块在生产时就可以制作成各种发光角度和各种功率的产品,利用特定发光角的光源做局部照明可以使光源发出的光得到更有效的利用,和传统的不便控制发光角度的光源相比,可以用比较小的功率达到同等要求的照明效果,因而实现节能的目的。路灯主要是为了照亮路面,因而属于局部照明。对路灯产品来讲,与车灯、电筒等产品的光照要求不同,光束要求有一定的范围,市场现有的产品一般采用透镜来解决这个问题,不同特性的LED 管配用不同曲光度的透镜,互换性不好。为解决这个问题,

37、我们的产品独辟蹊径,光源室采用内置导光多角度平面合理组合的方法解决,成本低,可适用于不同LED管(不同LED 管,发射角不同,只要选择不同的导光面的安装LED 模块即可以改变出光的角度)。另外,其出光是一规则的长方形照射面。其照射面更宽,而且亮度增大,路面照射均匀。路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题采用在不同的内置导光面安放不同功率的LED 模块,使整个照度范围内地面的光强大至均衡。由于采用了以上光的导向思路,使得该产品具有更好的照明效果。我们的LED 路灯配光和结构所采用的具体技术方案是:大功率LED 路灯由带散热片的灯体、LED 模块、透光罩、盖板、密封胶条组成;散热壳体一面

38、上的一端设有一个光源室,在其光源室的凹口周边配装有钢化玻璃透光罩,在散热灯体的光源室内设有五个不同角度的模块安装面,在光源室的导光安装面上按不同的配置需要安装安装35 个不同的LED 模块单元并按 “ ”或“ ”形式安装。上述的呈“ ”或“ ”形式安装可以是两侧照明单元所采用的LED 模块功率比中间照明的LED 模块功率大。用多种功率组合的LED 模块组成的LED 路灯,利用其光的导向性可以有效的控制光线的分布范围,使LED 模块发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展。光的导向是做好LED 路灯的重要环节。为了有效的利用光线,应该发挥发光管照射方向便于调控的优势,使发光管发出的光形成一条光带

39、铺在路面上,而不要在无效方向上散射。要做到这一点,结构上的办法是用多种功率的LED 模块组合,按 “ ”或“ ”形式安装。分别兼顾不同的照射距离。分别用于照射附近路面,中距离路面,远距离路面,使LED 输出的光均匀的覆盖两盏灯之间的半距离路面,覆盖宽度基本上和路面宽度吻合,这样就可以用比较小的功率有效的照亮道路。这就需要很好的设计这几组LED 模块的安装角,解决光的导向。 实践证明,这样制作的LED 路灯96 瓦左右的功率就能超过150 瓦纳灯对路面的照明效果,以128 瓦左右就能达到300 瓦的照明效果,节能效果显著。 LED的工作电流 由于LED器件反向耐压参数在标准中规定得非常低(VR6

40、V),因此用交流供电时须严防反向过压而致PN结击穿损坏,在电子制作网下面实用LED电路图中我们采用直流供电压来使发光二极管正常发光,目的是让发光非常稳定而没有交流电压的频闪,对延长LED寿命有积极的作用。首先我们应合理选定LED灯的工作电流,LED的正向极限电流IFm多在50mA左右,而且LED的光衰电流不能大于IF/3大约15mA-18mA。实践验证,LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比,当IF20mA时,亮度的增强已无法用肉眼分辨,实际亮度已经没有增加了。因此,LED的工作电流一般选在17mA左右较为合理,此时LED的电光转换效率较高,LED的光衰电流合理。 图1是LED器件的工作电

41、流?发光强度特性的关系图。LED的电流在15mA时LED的温度开始上升那么温度上升对LED的光衰开始加速 如果我们将传统发光二极管的寿命和现在的超高亮发光二极管混为一谈那就大错特错了。对于LED来说温度是它寿命的刻星所以我们必须遵守这个原则。 LED灯除了直流供电外,也可采用交流电网供电。白色LED的正向压降VF3V。采用变压器供电体积大,能耗较多,其优点是使用安全。应用容抗Xc为LED灯作镇流的交流电网供电,体积小,能耗省,但缺乏与电网的隔离,使用中须注意安全。最简电路如图2所示。 由于LED器件反向耐压参数在标准中规定得非常低(VR6V),因此用交流供电时须严防反向过压而致PN结击穿损坏,

42、在电子制作网下面实用LED电路图中我们采用直流供电压来使发光二极管正常发光,目的是让发光非常稳定而没有交流电压的频闪,对延长LED寿命有积极的作用。 LED灯的电流与镇流电容C的容量有关,其关系式为:I=U/Xc=2fCU。 由此可知,在220V50Hz交流电网下,1F的容量即可。 镇流电容器C的耐压应为:Uc2U。 220V电网中C应选400V耐压的电容器。 LED灯制作简便灵活,完全可根据亮度、色彩或形式自定。增加LED器件用量或采用高亮度LED,可增强LED灯的亮度。此外,不同光色的LED的发光亮度也不一样,绿色的最亮,橙黄色次之,而红色的最低。LED灯既可选用单色,也可选用不同色彩的L

43、ED混合使用,既可制成单灯,也可组成发光极、字符、图案、灵活多便以适应不同需求的设计。如果要想延长LED的使用寿命必须考虑LED的电流和温升的关系。 2.6 LED的参数据光学来分它的技术参数如下:LED的光学参数中重要的几个方面就是:光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。1 发光效率和光通量发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性,这是衡量现代光源性能的一个重要指标。2 发光强度和光强分布LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱,由于LED在不同的空间角度光强相差很多,随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大,直接影响到LED显示装置的最小观

44、察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏,如果选用的LED单管分布范围很窄,那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。3 波长对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良,而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下,比如交通信号灯对颜色就要求比较严格,不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝,红色的为深红,从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。照明LED产品性能参数2009-03-22 21:48 半导体二极管(LED) 因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性

45、等特点,从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合,决定了对LED产品的性能要求也不同。从光学性能来看,用于显示的LED,主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED,更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参 数,而生物应用的LED,则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数。此外,发光二极管既是一种光源,又是一种功率型的半导体器件,因此有关它的质量 必须从光学、电学和热学等诸多方面进行综合评价。 从目前LED产品的结构及产业发展的角度看,照明LED产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几方面的参数。 光学性能。LED 的光学性能主要涉

46、及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”,主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发 光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。显示用的LED,主要是视觉的直观效果,因此 对相关色温和显色指数不作要求,而照明用的白光LED,上述两个参数就尤为重要,它是照明气氛和效果的重要指标,而色纯度和主波长一般没有要求。 电性能。LED的PN结电特性,决定了LED在照明应用中区别于传统光源的电气特性,即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。目前主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏

47、电流、反向击穿电压和静电敏感度等。 热性能。照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一,与此同时,LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要,一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。 辐射安全。目前,国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件,考虑到其辐射可能对人眼 视网膜的危害,因此,对于不同场合应用的LED,国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法,目前在欧盟和美国,照明LED产品的辐射安全作为一项强 制性的安全要求执行。可靠性和寿命。可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力。在液

48、晶背光源和大屏幕显示中特别重要。寿命是评价LED产品可用周期的质量指标,通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中,有效寿命是指LED在额定功率条件下,光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。3 照明用白光LED技术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

49、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

50、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