LED基础知识讲义

1、 LED 基础知识讲义基础知识讲义 LED照明设计基础照明设计基础一一: Led : Led 基础知识简介基础知识简介1. 1. 定义、结构定义、结构及及分分类类2. Led2. Led主要制作工艺及厂商简介主要制作工艺及厂商简介3. 3. 主要参数及特性主要参数及特性二：大功率二：大功率LEDLED灯具设计基础知识灯具设计基础知识1. LED1. LED及驱动电源的选择及驱动电源的选择2. 2. 散热设计散热设计3. 3. 光学设计光学设计定义定义1.1.什么是什么是LED（light emitting diode） LED 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。它是一

2、种用微弱的电能就能发光的高效固体光源，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。它的核心部分是由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。 注入式电致发光原理注入式电致发光原理 在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。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），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 。结构结构2. 结构结构 发光二极管主要由PN结芯片、电极引脚

3、和光学系统组成。 普通插件式LED结构图结构结构大功率贴片式LED结构图分类分类1. 按光颜色分成红色、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。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3mm、5mm等,方形分为3528，5050灯。3.从发光强度角分布来分有三类：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或更小

4、，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。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，散射剂的量较大。4. 按安装方式，分为插件式（DIP）和贴片式（SMT)。5. 按功率大小分为三种。普通LED(电流20MA且光效 8lm/W )，高亮度LED(光效 8lm/W，功率1W)和大功率LED (电流350MA或功率 1W)。另外还有其他分类方法：如UV LED, Laser LED等。全球主要全球主要LED厂商简介厂商简介主要参数及特性主要参数及特性1.电学特性1.1 I-V特性特性 PN结伏安特性，表征LED芯片pn结制备性能主要参数。不同

5、的电流直接影响led的发光亮度和PN结的结温. LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。IF-正向直流电流（正向测试电流），在规定的正向电压VF下，通过极间的电流 ，不同LED因材料不同有不同的IF。 VF-LED正向导通时所需电压，同种颜色LED可能有不同的VF，所以LED公司按电压区间分Group或BIN来加以区分，以便用户使用。IFM-正向峰值电流（正向最大电流）。在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。 注：一般IF=0.6IFMVR - 称为反向击穿电压；VR 电压对应IR 为反向漏电流不同LED因材料不同，有不同的V

6、R。 主要参数及特性主要参数及特性LED 的点亮时间上升时间tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。LED 熄灭时间下降时间tf 是指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。不同材料制得的LED 响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其响应时间10-9S，GaP 为10-7 S。因此它们可用在10100MHZ 高频系统。 注：t0 值很小，可忽略。主要参数及特性主要参数及特性1.2 响应时间响应时间 表征LED跟踪外部信息变化的快慢。从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间 主要参数及特性主要参数及特性）光束角（

7、beam angle )：在通过最大光强半平面上，两条最大光强方向之间的夹角称为该平面的光束角）光束扩散角 (field angle )：在包含最大光强的某个平面上，两条为最大光强的光线之间的夹角称为该平面的光束扩散角（或称有效光束角）在引出杂散光线的时候，出现了这个光束角以及最大光强的概念 两者的区别：2. LED光学特性光学特性2.1 光强与光束角（发光角光强与光束角（发光角）光强光强 表征LED发光强弱的重要性能 光束角光束角 描述LED发光在空间各个方向上光强分布。 主要参数及特性主要参数及特性2.2 光通量光通量 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

8、个方向发光的能量之和，可见光LED 的光通量单位为流明（lm）,它与工作电流的关系如下。2.3 光效光效 是指LED所发出的光通量与其所消耗的电功率 P之比,单位为流明/瓦（lm/w）,是评价电光源用电效率最主要的技术参数,它与工作电流的关系如下。主要参数及特性主要参数及特性同一型号的同一型号的LED在同一电流下可能有着不同的光通量，在同一电流下可能有着不同的光通量，LED公司通常用公司通常用Luminous Flux Bin 来分类区分，以下是一典型的光通量来分类区分，以下是一典型的光通量BIN 分类：分类： 注：注： 对小功率对小功率LED可能会用光强来分可能会用光强来分BIN主要参数及特

9、性主要参数及特性2.4 光谱分布光谱分布 LED 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。它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;以下是不同化合物半导体及掺杂制得LED 光谱分布曲线 。 峰值波长：相对光强度最强（光输出最大）处对应的波长，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。半

10、高宽度反映谱线宽窄，即LED 单色性的参数，LED 半宽小于40 nm。 主波长：LED 发出的有多个峰值的非单色光中，人眼所能观察到的，主要单色光的波长，结温升高而主波长偏向长波 。主要参数及特性主要参数及特性2.5 色品坐标、色温与显色性色品坐标、色温与显色性 色品坐标用来准确地表达光源的表观颜色.但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起.人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”,比较炽白或稍偏兰的称为“冷色”,因此用色温来表示光源的光色会更加直观。 2.5.1 色温与色品坐标的关系式近似如下： 其关系曲线如右色品图，由此可见，不要的色品坐标可能会有同样的色温 ，所以能唯一决定颜色的参数是色品

11、坐标，色温只能参考。一般，LED封装厂都会按色品坐标不同用不同的Bin来区分白光的颜色。以下一典型的Bin分布图。大功率LED供应商一般会要求四个Bin同时购买，如数量较少时可以考虑与供应商沟通买单个Bin.主要参数及特性主要参数及特性典型的Color Bin 分区主要参数及特性主要参数及特性主要参数及特性主要参数及特性显色指数是体现光源所发光显示物体表面原本颜色的能力。光源显色性能越高，物体表面颜色越真实。越接近自然光谱(或者说是标准光谱)，显色指数越高。要改善，那就要添加原来缺少的光谱。色温是专门用来量度光线的颜色成分的，色温只是用来表示颜色的视觉印象。因此：显色性与色温间没有必然联系,不

12、同的色温可以做到相同的显色指数,或者说,相同的显色指数,可以做成不同色温的光源 。2.5.2 色温与显色性的关系另外，色品坐标会随正向电流的变化而变化，即光的颜色会随正向电流的变化而变化；关系曲线如右图主要参数及特性主要参数及特性2.6 寿命寿命 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. 1)平均寿命一批led同时点亮,当经过一段时间后,led不亮达到50%时所用的时间.2)经济寿命在同时考虑led损坏以及光输出衰减的状况下,其综合输出减至一特定比例时的小时数.此比例用于室

13、外光源为70%,用于室内光源为80%. 在评价LED寿命时，必须留意此寿命对应的结温值主要参数及特性主要参数及特性2.7 热学特性热学特性 LED的主要热学参数有结温结温（Tj）和热阻热阻（Rth）有很大的关系。 LED的许多特性参数与结温有很大的关系 ，具体如下：2.7.1 LED的主波长随温度关系的主波长随温度关系 可表示为：由上式可知，每当结温升高10，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。 2.7.2 LED结温与寿命的关系结温与寿命的关系主要参数及特性主要参数及特性2.7.3 LED结温与电流的关系结温与电流的关系 白光工作电流基本上随温度的升高而升高，表现为 正温度特

14、性，近似变化率约为0.06mA/2.7.4 LED结温与色品坐标的关系结温与色品坐标的关系 如右上图主要参数及特性主要参数及特性2.7.5 LED结温与正向电压和光通量的关系结温与正向电压和光通量的关系 如下图LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择1. 1 Led光源的选择光源的选择 可以按以下步骤进行分析客户对光的需求发光角度某一高度下光斑及照度大小以下举一例说明这个过程估算所需光通量根据客户对光的需求理论分析估算出所需光通量；如客户无明显对光的需求，则类比传统光源得出所需光通量初步选定LED必须结合客户对LED专利的要求、对色温、显色性、光效以及寿命等要求来最终选型测试验证LED通过测试验

15、证选择LED是否满足客户需求，如未达客人要求，需分析后再调整选择方案1.1.1 分析客户的光需求分析客户的光需求 以下是客人对一款LED台灯的要求，分析相关需求并预估灯具光通量参数;如客户无相关需求，就通过和类似传统光源的灯具类比，直接得出光通量参数；附件是部分传统光源的光参数表。LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择LED与驱动电源的选择与驱动电源的选择散热设计散热设计图 1基板LED图图2 一维热传导模型热传导热传导散热设计散热设计好的热传导：好的热传导：1.选择导热系数高、热

16、阻低的导热材料 ,常见材料导热系数 ( W/m ) 如下:2.加大散热面积,但考虑成本和外形的影响我们因尽可能的选择合理的散热面积及散热器结构, 常见散热器和散热设计方法介绍如下附件,同时可一用Icepak, Qled等进行热模拟分析.散热设计散热设计热对流热对流 合理的散热器结构来保证热发热区与外部环境间有足够的空气流通, 必要时可用风扇强制对流散热。光学设计光学设计 大功率LED照明在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。这就是所谓的一次光学设计。二次光学设

17、计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求。对于LED的二次光学处理不外乎如下几种： 1、反光杯（优点：理论上出光效率高，假如反光层镀的好的话； 缺点：光斑的控制很难，主要是反光杯对形状和焦点位置非常敏感、 而且常常受到鬼像的干扰。 2、透镜（优点：处理模式多样化、光斑均匀性的问题可以比较好的解决； 缺点：效率相对不高） 3、反光杯+透镜（特殊用途可以考虑） 4、

18、不处理（假如LED光通量足够大且发光角度满足需求的话，光效率最高） 一般来说：如果要求光斑是圆形，使用反光杯比使用透镜损耗要小；如果光斑为非圆形，反光杯本身将有一定的光损耗。另外，在处理20以下光束角的配光需求时，反光杯会比透镜笨拙很多。光学设计光学设计 3.1 反光杯设计 1. 材质选择-反射率高的材料；采用高纯度铝材，或其他材质表面镀金属覆膜或者其他高反射率的复合材料，一般可以获得的反射效率在85%98% ,不同材料的反射率如下： 2. 正确反光杯形状-利用软件模拟设计，如: Photopia光学设计光学设计3.2 透镜设计3.2.1 LED透镜的材料种类：1硅胶透镜；a. 因为硅胶耐温高

19、（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上；b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm；2. PMMA透镜a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）,目前为日本三菱PMMA材 料为最好（现在的VH5与VH001质量更高）。 b . 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；透光率高（3mm厚度 时穿透率93%左右）；缺点：耐温70%（热变形温度90度）；3PC透镜a. 光学级Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；耐温高（130度以上）； 缺点：透光率稍底（87%）；4 玻璃透镜光学玻璃材料，具有透光率

20、高（97%）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不易实现、生产效率低、成本高等。光学设计光学设计3.2.2 LED透镜规格分类透镜规格分类：1 穿透式（凸透镜）穿透式（凸透镜）a. 当LED光线经过透镜的一个曲面（双凸有个曲面）时光线会反生折射而聚光，而 且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（成反比），经过非球面技术设 计的曲面光斑将会非常均匀，但因为透镜直径的局限性，透镜侧面的光线得不到 利用（漏光）；b一般应用在大角度（40-80度）聚光，如台灯，路灯，室内灯具等；2 全反射式（锥型或叫杯型）全反射式（锥型或叫杯型）a, 透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去， 而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；b也可在锥形透镜表面做些改变，可设计成镜面、磨砂面、珠面、条纹面、螺纹面、 凸或凹面等而得到不同光斑效果。3. LED透镜模组透镜模组a. 是将多个单颗透镜通过注