LED节能照明系统研究与应用大学设计

1、封面作者：PanHon glia ng仅供个人学习2008 届本科毕业设计LED节能照明系统地研究与应用姓名：系别：专业：学号：指导教师：20 年月日目录摘要与关键词 .n0 引言 . 11 LED 节能照明技术简况 . 11.1 传统照明技术简介 . 11.2 LED 照明发展简介. 11.3 LED 优点. 22 照明用 LED 主要技术特性 . 22.1 LED 地电学特性 . 22.2 LED 地光学特性 . 33 照明用白光 LED 技术. 43.1 白光 LED 技术原理. 43.2 照明用白光 LED 技术要求. 53.3 白光 LED 驱动电路技术. 63.3.1 白光 LED

2、 驱动器地要求及分类 . 63.3.2 常见典型白光 LED 驱动电路. 63.4 高效率白光 LED 技术发展. 73.5 照明用白光 LED 封装和散热问题 . 83.5.1 白光 LED 地封装技术. 83.5.2 散热问题及解决. 104 LED 节能照明地应用 . 105 结语. 12参考文献 . 12致谢. 12LED 节能照明系统地研究与应用摘要本文阐述 LED 节能照明地原理及应用 .先分析照明技术简况 ,提出 LED 照明地优点 .然后重点论 述用于照明地白色光 LED 技术.通过对白光 LED 芯片地发光材料地分析 ,介绍其发光机理 ,并分析其 典型驱动电路技术 .同时对白

3、光 LED 芯片封装及散热地探讨 ,提出如何在散热和封装上来提高 LED 芯片地发光效率 .最后分析 LED地应用前景 .关键词照明；白光 LED ;原理；驱动电路；应用Energy-saving led lighting systems research and applicationAbstractThis article elaborates the LED energy conservation illumination principle and the application. Analyzes thelighting techniques survey first, Propos

4、es the LED illumination merit.Then the key elaboration uses in the whitelight LED technology which illuminates. Through dialog light LED chip luminescent material analysis, Introducesits illumination mechanism, And analyzes its model driving circuit technology. Simultaneously dialog light LEDchip se

5、al and radiation discussion, Proposed how to be radiating and seal enhances the LED chip the luminousefficiency. Ultimate analysis LED application prospect.Key wordslighting 。 white LED 。 Driving circuit 。 applications 。 Principle从 LED 出现以来 , 人们一直在努力实现固体光源 .随着 LED 制造工艺地不断进步和新型 材料（氮化物晶体和荧光粉）地开发及应用,发白

6、色光地 LED 固体光源性能不断完善并进入实用阶段 .白光 LED 地出现 ,使高亮度白光 LED 地应用领域跨足至高效率照明光源市场成 为可能 ,如果能在固体照明领域节省一半地能源,则会对人类地节约能源作出巨大地贡献 . 因此 , LED 节能照明地技术地研究具有很大地现实意义. 本文就对节能地 LED 在照明方面地技术上与应用上作以研究和分析 .1 LED节能照明技术简况随着人类文明地进步 ,照明技术也在迅速发展 .早期人类用地是植物油产生光,1976 年白炽灯问世 ,它以碳棒作为灯丝 ,是照明技术地巨大改进 ,1938 年发明地日光灯可以减少热地损 失 ,节省能源地消耗 ,这又是一个大进

7、步 , 后来紧凑型日光灯地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地发明可在室外实现照明,满足了各方面地需要 .目前有 21%地电源用于照明 ,如果能在固体照明领域节省一半地能源,则会对人类地节约能源作出巨大地贡献 .1.1 传统照明技术简介在 19 世纪爱迪生发明电灯之前 , 人类实现照明地方式非常简单 , 那就是直接借助各种火 源地直射光 ,例如蜡烛、油灯等等 . 这些发光设备虽然在人类地历史长河中点燃了漫漫岁月 , 却因为极低地发光效率和发光质量,只能尘封在历史地博物馆中 ,进入 20 世纪后,随着人类新工业革命地爆发 ,以爱迪生发明地新式白炽灯为代表地照明设

8、备 , 正式成为人类生产生活 中地主流发光设备 .人类社会地电力照明设备大致有这几个重要地发展成果：白炽灯，主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率 . 白炽灯地大部分辐射光是红外线 , 所以 120V 白炽灯地照明效 率在 2400K 时约为 8lm/W，一般 100W 白炽灯只有 7%地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地钨丝卤素灯也较 为流行 .一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用地是比较坚硬地玻璃壳，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 地高温，目前 日光灯可

9、以用地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 地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 地一般功率变成热，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 地照明 .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演色性 .1.2 LED 照明发展简介LED 即 Light Emitting Diode （发光二极管）

10、地缩写 .即：光线激发二极管，属于一种半 导体元器件 . 发光二极管地核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成地晶片，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. 在某些半导体材料地 PN 结中，注入地少数 载流子与多数载流子复合时会把多余地能量以光地形式释放出来，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地 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，而以后地希望 就将是白光LED.LED 技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、 农业、渔业

11、、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以其固有地特点 ,广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域,在我们地日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯 等 . 但由于其亮度差、价格昂贵等条件地限制，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地不断深入，LED 制造工艺地不断进步和新材料（氮化物晶 体和荧光粉）地开发和应用，

12、各种颜色地超高亮度 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地所有颜色，其中最重要地是超高亮度白光 LED 地出现，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，最伟大地发明之一 .LED 照明地变革将扩展人们地照明观念，更加体现 节能化、健康化、艺术化和人性化地发展趋势2.1.3 LED 优点（1）发光效率高 . LED 经过几十年地技术改良，其发光效率有了较大地提升 . 目前，世 界各国均加紧提高 LED 光效方面地研究，在不远地将来其发光效率将有更大地提高. （ 2）耗电量少，LED

13、单管功率 0.03-0.06 瓦，采用直流驱动，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 可能危害健康地物质 . （ 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，

14、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 .2照明用LED主要技术特性LED 是利用化合物材料制成 PN 结地光电器件 . 它具备 PN 结结型器件地电学特性、光 学特性 .2.1 LED 地电学特性I-V 特性：表征 LED 芯片 PN 结性能主要参数 .LED 地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 中地 oa 段或 o段） .a 点电压 Va 点对于 o 点电压 Vo 为开启电 压，当 VVF地正向工作区，IF随 VF地增大呈指数规律上升：（2）正向电流 IF

15、是指 LED 正常发光时地正向电流值,在实际使用时应该根据需要选择IF地值地大小，在 0.6lFm（ 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 下得到地，一般在时测得地.LED 地正向工作电压 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对应地电流 IR为反向漏电流.当反向偏压一直增加到使 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 地反向击穿电压 VR也不同.允许功耗 P:假设流过 LED 地电流

16、为 IF管压降为 VF则 LED 地功率消耗为.当 LED 工 作时,若外加偏压、偏流一定 ,则会促使 PN 结内地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,则时丄 ED 内部地热量借助管座向外释放 ,散 发地热量可以表示为 .响应时间：响应时间从使用角度来看 , 就是 LED 点亮与熄灭所延迟地时间 响应时间主 要取决于载流子寿命、器件地结电容及电路阻抗 2.2 LED 地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地光学特性 及其材料性能可以用于发光照明.LED 光学特性：发光法向

17、光强及其角分布Ie:发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱地重要性能丄 ED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜地作用，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e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.发光强度地角分布 Ie是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布 .它主要取决于封装地工艺（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 地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，而与器件地几何形状、封装方式无关. 光通量：光通量

18、F 是表征 LED 总光输出地辐射能量，它标志器件地性能优劣.F 为 LED 向各个 方向发光地能量之和，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 地光通量单位为流明（Im ）.发光效率和视觉灵敏度：它是评价具有外封装LED 特性，LED 地流明效率高，指在同样外加电流下辐射可见光地能量较大，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地光通量，单位为 cd/m2或 Nit （尼特）.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

19、现象.器件老化程度与外加恒流源地大小有关 .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 制造工艺地不断进步和新型 材料（氮化物晶体和荧光粉）地开发及应用，发白色光地 LED 固体光源性能不断完善并进入实用阶段.能量效率更高、功能更强地新型LED 固态发光（SSL）产品地发展很快，被认为是照明市场上地主要革命性进步3.白光 LED 地出现，使高亮度白光 LED 地应用领域跨足 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.其发光体晶片地面积为 10.12miI（1miI=0.0254 平方毫 M ），目前国际上出现大晶片L

20、ED，晶片面积达 40mil.其发光过程包括三部分：正向偏压下地载流子注入、复合辐射和光能传输.微小地半导体晶片被封装在洁净地环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电地电子移动到带正电地空穴区域并与之复合，电子和空穴消失地同时产生光子.电子和空穴之间地能量（带隙）越大，产生地光子地能量就越高 .光子地能量反过来与光地颜色对应，可见光地频谱范围内，蓝色光、紫色光携带地能量最多，桔色光、红色光携带地能量最少 .由于不同地材料具有不同地带隙，从而能够发出不同颜色地光 .目前，已商品化地白光 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 .未来较被看好地是三波长白光LED，

21、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 照明光源地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地光.人类眼睛所能见到地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，在未来较看好地是三波长光，以无机紫外光芯片加 R、G、B 三基色荧光粉未来 三波长 LED 地应用将取代荧光灯、节能灯,白光 LED 地市场将是巨大地 丄 ED 节能照明也将 得到更加广泛、深入地应用 白光 LED 地特性：

22、在白光 LED 设计中，通常在发射蓝光地 InGaN 地基料上覆盖转换材 料于是得到混合地白光白光是不同波长地光地混合，所以，白光 LED 不可能有一个特定地波 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地变化可以改变白光地质量 当正向电流高至 101mA时,正向电压地变化很大，变化量地范围 大约在800mV （部分白光 LED 地变化会更大）白光 LED 工作电压地变化改变其发光色彩，是因为工作电压地变化改变了正向电流对于不同地白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大地差异白光 LED 地发光效率和演色评鉴指数：光源地发光效率（ K），能量效率是

23、指 输入功率 W 转换成光量子地百分比； 发光效率用 K（Im/W） 表示波长为时单一波长地发 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 地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.这两种不同色温地白炽灯地色温值都落在 CIE 所制定地条例轨迹上，即使是荧光灯地色度值也需要按照CIE 地规定.一般是高效率白光 LED 地基本条件，室内装潢照明和阅览书籍时地Ra 则需要大于 95.表 1 白光 LED 地种类及发光原理芯片数激发源发光材料发光原理1蓝光LEDIn GaN/Y AGInGaN 地蓝光与 YAG 地黄光混合成白光蓝

24、光LEDInGaN/荧光 粉InGaN 地蓝光激发地红、绿、蓝三基色荧光粉发光蓝光LEDZNse由薄膜层发出地蓝光和在基板上激发出地黄光混合成白 光紫外LEDInGaN/荧光 粉InGaN 地紫外光激发地红、绿、蓝三基色荧光粉发光2蓝光LED黄绿LEDIn GaN GaP将具有补色关系地两种芯片封装在一起，构成白光 LED3蓝光LED绿光LED红光LEDIn GaN AIInGaP将发三原色地三种小片封装在一起，构成白光 LED多个多种光色LEDIn GaN GaP AIInGaP将遍布可见光区地多种光芯片圭寸装在一起，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

25、以 460nm 波长地 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地555nm 波长黄光，再利用透镜原理将互补地黄光、蓝光予以混合，便可以得出肉眼所需地白光照明用白光 LED 地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 地树脂薄层200-500nm.蓝光 LED 基片发出地蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与 荧光粉发出地黄色光混合，可以得到白色光对于 InGaN-YAG 白光 LED 改变 YAG 地化学成 分和调节荧光粉层地厚度，可以获得色温3500-10000K 地各色白光结构如图 2 所示1: LE

26、D 芯片发蓝光2: LED 荧光粉发黄光 图 2 LED 封装结构图3.2 照明用白光 LED 技术要求(1)要有高地发光效率照明用白光 LED 不同于传统地 LED 产品,在技术性能指标上有一些特殊要求光通量：照明地白光功率LED 希望达到 1Klm.不过光通量为 O.IKIm 和O.OIKIm 地功率地功率LED 也能满足要求不高地照明需要由于白炽灯地效率较低,仅为8Im/W,所以一个 15W 白炽灯地光通量与5W( 25Im/W )地白光功率 LED 器件相当发光效率：目前产业化产品已从15Im/W 提高到 25Im/W,研究水平为 32Im/W,最高已达到 44.3lm/W.色温：为

27、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：用于照明地白光LED 地波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照场合地要求而疋(2)光地分配必需均匀，并能有效地控制，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，一般白炽灯地色温在 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，是柔和地白光；白天地光色温约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地实际价值(3)其中，是观点转换效率；K

28、 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 换地效率，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地FOM 以及与 470nm 相对地 FOM 值表 2 在不同波长 LED 上添加荧光粉所产生白光地特性芯片主波长/nm470405380相对于 470nm 晶片地电光转换效率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波长时地 品质因数变化0%+40%-20%3.3 白光 LED 驱动电路技术白光 LED 是照明领域地主流，其驱动电路技术至关重要 驱动器相当

29、于白光 LED 供电地 特殊电源，可以驱动正向压降为3 0-4 3V 地白光 LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联地多个白光 LED，满足驱动电流地要求 331 白光 LED 驱动器地要求及分类驱动器地主要要求：驱动器应有升降压功能，以满足电池供电地要求；应该有高地功率转换效率；在多个白光LED 串联时，要求白光 LED 地电流相匹配，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 地最大电流可以设定，使用过程中可以调节光地亮度；有完善地保护电路，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

30、积小；对其它电路地干扰影响小；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地白光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 电路地驱动器；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 或相应地高压直流 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地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

31、LDO 电路地驱动器 , 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 节锂离子电池地场合 ,并且学要用正向电压 低地白光 LED. 可以用白光 LED驱动电源地集成器件品种较多 ,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 驱动电路地特点是：白光 LED 地正向电压 VF非常高V本身具有一定地波 动范围 ,全开工作时会使白光 LED 地耗电量增加 ,电源电压变化会影响白光LED 地亮度 .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，

32、所以必须使用专门为驱动 白光 LED 而设计地 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 等可携式电子产品地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地信息. 可携式电子产品地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地电流控制，对可携式电子产品地电池动作时间具有绝对性影响，因此探 讨白光 LED

33、 背光照明单元地驱动原理与驱动电路地设计技巧 .如图 3 所示传统背光照明单元地白光 LED 是并联驱动，由于白光 LED 地亮度取决于电 阻地阻抗值 .然而白光 LED 地电压 VF本身具有不同地波动范围，因此相同地电阻会使白光 LED 地亮度产生分布不均现象 .图 3 传统背光照明单元地白光 LED 并联驱动方式因电压波动引起白光 LED 亮度不相同时，背光照明单元地光线就会有照明不均匀地问题.虽然使用电器特性相同地白光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地白光 LED.应根据个白光 LED 地电气特性，逐一调整负载电阻但是，实际上这种方 式不是解决问题地方式 .为

34、使白光 LED 地电流相同，可以用串联方式如图 4 所示地方式 .由于 电流 I 相同，亮度几乎一致 .图 4 传统背光照明单元地白光 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 地 白光 LED驱动电路电路地基准电压 VREF为 1.25V,加在 VIN端子此方式中电阻 RL地阻止决 定了影响白光 LED 亮度地个 LED 地电源 ILED，ILED 可以有公式 3-3 得到：（6）假设个 LED 地电流 ILED为 15mA, R 约为 830Q,三只 3.6V 地白光 LED 串联联接 时，LED 整体地驱动电压

35、VLED为：式中：N 为串联连接地白光 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地高技术领域之一，白光 LED 将成为 21 世纪地新一 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 孕育着巨大地商 机11它将成为一种理想地环保照明系统 传统地白炽灯采用地是热发光技术，90%地电能以热 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，增加空调等设施地用电量，在一 定程度上增加了地球地温室效应 因此丄 ED 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地紫外线LED 地开发,尤其波长为 38

36、2nm 外部量子效率为24%地 Gal nN LED 是在已作过凸凹加工地蓝宝石上使用选择性长晶GaN 基板,因此可以降低结晶地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 一致地透明状 GaP 粘贴上去，便可将光取出效率提高两倍 .如图 6 中外形呈梯状结构地 LED 是对光取出效率所作地改善 .图 6AlGalnP 系 TlP-LED 结构为获得完美地高演色性（） ,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

37、 法源,激发荧光体获得白光 .此外,单芯片型地技术方向 ,是改变活性层地性质 ,利用单纯地半导 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 地驱动电压、发光效率、配光特性地差异 ,以及色温地特性、组件地寿命等,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 lnGaN LED （蓝）/YAG 荧光粉，InGaN LED（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

38、LED+ 黄光 LED 制成 .这种器件较为便宜 ,但是由两种颜色形成地白光 ,显色性较差 ,只能在 显色性要求不高地场合使用 .（ 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地程度 .（ 4）四芯片（红 +绿+蓝+黄） LED, 采用 465nm、535nm、 590nm、625nm 地 LED 芯片可以制成 Ra 大于 90 地白光 LED. （5）组件地配列，照明用地 LED 需要将多个 LED 做系统地最佳组合 .目前多芯片组合封装地高亮度LED 得到迅速发展53.5 照明用白光 LED 封装和散热问题LED 地密集排列组成白光照明系统，热量

39、地耗散问题是功率型LED 应用地先决条件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地，但却有很大地特殊性一般情况下，分立器件地管芯被密封在封装体内，封装地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，输出可见光地功能，既有电参数，又有光 参数地设计及技术要求，无法简单地将分立器件地封装用于 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地研究.3.5.1 白光 LED 地封装技术LED 地核心发光部分是由 P 型和 N 型半导体构成地 PN 结管芯，当注入 PN 结地少数载 流子与多数载流子复合时，就会

40、发出可见光，紫外光或近红外光但 PN 结区发出地光子是非定 向地，即向各个方向发射有相同地几率，因此，并不是管芯产生地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 地内、外部量子效率常规5mm 型 LED 封装是将边长 0.25mm 地正方形管芯粘结或 烧结在引线架上，管芯地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地另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封 .反射杯地作用是收集管芯侧 面、界面发出地光，向期望地方向角内发射 .顶部包封地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

41、蚀；采用不同地形状和材料性质（掺或不掺散色剂 ），起透镜或漫射透镜功能，控制光地发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部地全反射临界角很小，其有源层产生地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，选用相应折射率地环氧树脂作过渡，提高管芯地光出射效率 .用作构成管壳地环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光地折射率和透射率 高.选择不同折射率地封装材料，封装几何形状对光子逸出效率地影响是不同地，发光强度地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 地轴线方向 ,相应地视角

42、较小；如果顶部地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 种地高功率 LED 封装图6.图 71.3W 高功率 LED 封装不同颜色地 5mmLED 随着时间变化不会以同样地方衰减 在 20mA 地电流下 , 5mm 封 装 LED 地衰减如图 8 所示.红光 LED 地光输出衰减速率较白光LED 慢,而绿光和蓝光LED 则以中等地速率衰减 自光封装在一个与外界嗝离地灯具中 , 环境温度将影响白光白地 充输出衰减速率 图 85mm 封装 LED 地衰减情况随着大功率白光 LED 封装技术地发展 ,可以通过减小白光封装外壳做成扁平状、缩短节点与插脚间地距离来缩短传输地

43、距离更大 ,引脚增大 ,并使用热传导性能较好地材料制作,能使热量更快地散发出来 使用耐高温地环氧数值 ,解决了高温地散热问题 ,因此可以利用大芯片进行封装,致使其工作电流可由一般地 20mA 增大到 350mA、700mA 甚至 1000mA,其功率可以达到 1W、3W 甚至 5W.这种封 装地辐射视角很宽 ,因此该白光 LED 地光效率很高 ,所以,信号灯中使用地白光 LED 只需要十 几只 ,甚至几只 ,常见地 LED 台灯也是如此 常规白光 LED 与功率白光 LED 在信号灯中地应 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

44、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地重要要素.对于由 PN 结组成地发光二极管，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地热阻抗 ,也就是热阻 ,热阻是由器件地尺寸、结构 及材料所决定地固定值.设发光二极管地热阻为 Rth(C/W),热耗散功率为PD( W)，此时 由于电流地热损耗而引起地 PN 结温度上升为：(4)

45、 PN 结结温为：(5)其中TA为环境温度 .由于结温地上升会使 PN 结发光复合地几率下降，发光二极管地亮 度就会下降 .同时，由于热损耗引起地温升增高，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，随着结温地上升，发光地峰值波长也将向长波方向漂移，约0.2-0.3nm/C，这对于通过由蓝光芯片涂覆 YAG 荧光粉混合得到地白色 LED 来说，蓝光波长 地漂移，会引起与荧光粉激发波长地失配，从而降低白光 LED 地整体发光效率，并导致白光色 温地改变 .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 结地电流密度非常大，所 以 PN 结地温升非常明显

46、.对于封装和应用来说，如何降低产品地热阻，使 PN 结产生地热量能 尽快地散发出去，不仅可提高产品地饱和电流，提高产品地发光效率，同时也提高了产品地可靠性和寿命 .LED 地密集排列组成白光照明系统，热量地耗散问题是功率型 LED 应用地先决条件7为了降低产品地热阻，首先封装材料地选择显得尤为重要，包括热沉、粘结胶等，各材料地热阻要低，即要求导热性能良好 .其次结构设计要合理，各材料间地导热性能连续匹配，材料之间地导热连接良好，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 ,热量按照预先设计地散热通道及时地散发出去4 LED节能照明地应用LED 节能照明地应用

47、 , 是随着对 LED 发光技术地研发而进一步发展地 . 在对不同需求电 路要求中 , 其驱LED 结点与插脚间地热阻 ,把同时引线地支架地直径动电路也不尽相同 .（一）前景及发展趋势目前,照明消耗约占整个电力消耗地 20%, 大大降低照明用电是节省能源地重要途径 , 为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具,并达到了一定地成效 .但是 ,距离“绿色照明”地要求还不够, 开发和应用更高效、可靠、安全、耐用地新型光源势在必行. LED 以其固有地优越性正吸引着世界地目光. 据 UBS 投资研究机构做出地预测 ,2005 年到 2010 年高亮度 LED （发光二极管）市场地年复合增长率（

48、 CAGR ）有望达到 26%12.随 着 LED 技术地迅猛发展 , 其发光效率地逐步提高 ,LED 地应用市场将更加广泛 , 特别在全球 能源短缺地忧虑再度升高地背景下 , LED 在照明市场地前景更备受全球瞩目 , 被业界认为在 未来 10 年成为最被看好地市场以及最大地市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯地最大 潜力商品 .（二）照明应用中存在地主要技术问题LED 地发光效率正在逐步提高 , 商品化地器件已达到白炽灯地水平 , 景观灯采用地白色 LED 发光效率接近荧光灯地水平 , 并在稳步增长中 .但是 ,在照明普及应用方面仍存在一些 技术性问题：一是光通量有待进一步提高 . 采用 L

49、ED 作为照明光源 , 必须可以发出更多地光 , 必须具有更高地能量效率 . 二是 LED 发出地光与自然光仍有一定地差距 . 白炽灯具有非常强 地黄色光地成分 , 给人一种温暖地感觉 . 而白光 LED 发出地白光带有蓝色光地成分 , 在这种 光地照明下 , 人们地视觉不很自然 . 三是价格较高 . 这是影响 LED 照明普及地主要原因 .但是 , 近年来出于晶片技术地改良 , 制造成本正在急剧下降 , 近三年来 LED 地价格下降了近 50% , 其正朝着高效率、低成本地方向发展,这为 LED 在照明领域地应用提供了有利条件 . 此外,较好地性价比也可以弥补成本价格方面地不足 .（三） L

50、ED 照明技术在灯光环境中地应用由于 LED 光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强 , 有利于环保 等特性 ,近几年来在城市灯光环境中得到了广泛地应用 . 目前已应用于数码幻彩、护栏照 明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列 . 许多城市利用 LED 光源照明技术应 用于城市灯光环境建设中 , 产生了良好地效果 , 积累了丰富地地经验 . 如广州电力大厦、广州 鹤洞大桥、广州工商行大厦、珠海迎宾南路灯光工程、东莞中心城区灯光工程、郑州河南 医科大立交桥、上海延安路灯光工程、湖南常德市丹阳天桥、南通市通讯塔灯光工程等 .随着全国城市化地进一步发展 ,灯光环境（包括路灯、

51、景观灯、艺术灯等）建设领域将 不断扩大 ,LED 光源地应用也将不断发展 .LED 作为第四代新光源 ,在城市景观灯建设领域中 已得到了有效地应用 ,但要在路灯建设和维护中取代大功率地高压钠灯、高压汞灯、金卤灯 等光源 ,还需进一步地研究和探讨 ,认真解决 LED 光源在照明应用中存在地技术问题,还需LED 光源生产厂家结合路灯行业地实际情况,生产符合路灯建设和维修所需地新产品,使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大地作用 .5结语过去 10 年来, LED 在颜色种类、亮度和功率都发生了极大地变化 .LED 以其令人惊叹 而欣喜地应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟地作用 .LED

52、寿命长达 10 万小 时, 意味着每天工作八小时 ,可以有 35年免维护地理论保障 . 低压运行 , 可达较高地光输出 , 调光时低到零输出 ,可以组合出成千上万种光色 ,而发光面积可以很小 ,能制作成 1 平方毫 M.经过二次光学设计，照明灯具达到理想地光强分布快速发展地 LED 技术将为照明设计与应用带来崭新地可能性，这是许多传统光源所不可能实现地白光 LED 技术地发展，推动着节能照明系统地进步参考文献1 大谷义彦(日 夏晨(译)中国照明电器.2007(6) ； 20-242 顾方嘉.日本 LED 照明技术地开发J.电子世界.2007, 48(4): 52-533 Lucio Di Jasio . LED 照明应该变得更加智能 J.今日电子.2007,52(5):50 -514 Michael E. Levinshtein(俄)，Sergey L.Rumyantsev (俄)，Michaeel S.Shur (美)，杨树人，段景志(译).先进半导体材料性能与数据手册.北京：化学工业出版社.2003