LED照明基础知识培训教材.ppt

1、a,1,LED照明基本知识及应用,IDV国际电工,a,2,目录,一、LED基本知识,二、热学基础知识,三、光学基础知识,四、LED驱动基础知识,a,3,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,1.LED的定义,a,4,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,2.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 分组成。 金线

2、,a,5,1、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,a,6,3、按发光颜色分类,单色光LED,a,7,暖白光：Tc3000K 冷白光：3700KTc4300K 白光：Tc5700K,R,G,W B,C,M,a,8,芯片集成COB模组,4、按芯片组合数量分类,单芯LED 多芯LED,a,9,能级跃迁复合模型,能量,导带 禁带，Eg

3、P型载流子 （空穴）,N型载流子 （电子） 价带,3.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。,a,10,3、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,（电子）,V,（光子）,Vf,a,11, ： 300,400,500,600,700,

4、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：,a,12,(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,a,13,6.LED的优点,节能、环保、寿命长、响应快、安全、灵活,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,

5、a,14,7.LED应用,1.常规系列,a,15,2.感应系列,a,16,1、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，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED。,8.LED的发展历史,a

6、,17,lm/W,发 光 效 率 （,）,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,a,18,二、 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) 发光强度降低，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率 效率也 会随

7、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。,a,19,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,a,20,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,a,21,3、散热方式,(1). 按热的传导方

8、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。,a,22,(2). 按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种,主动式散

9、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。,a,23,4、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 :

10、201W/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,a,24,5、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,a,25,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）,

11、特点和用途：,良好的热传导性，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,a,26,三、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

12、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,a,27,LED光谱图,各种颜色光谱分布,a,28,常见七种光色与波长对照表,a,29,峰值波长：无论什么材料制成的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

13、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长波。,发光波长及其光谱特性,a,30,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,a,31,(二)、常用光学术语 1.光通量,光通量(Luminous Flux)

14、：能够被人的视觉 系统所感受到的那部分光辐射功率的大小， 单位为lm。,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。 单位：(坎德拉) cd,a,32,3.照 度,照度(Illuminance)：表面上一点的光照度 是入射在包含该点的面元上的光通量d 除以该面元面积dA。 照度的公制单位是lx(lm/m2),4.亮度(luminance),亮度(Luminance)：在给定方向上，每单位 面积上的发光强度。 亮度的公制单位是cd/m2(也称Nit),a,33,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,a,3

15、4,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,a,35,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

16、明除以其耗电量所得之,a,36,7.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Ra100为基准光，数值越低，与基准光差异越大.,a,37,显色指数分类,a,38,8.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.,a,39,冷的气氛 爽快的气 氛 稳重的气 氛,清 凉 中 间 (白) 温 暖,57

17、00K 3700- 4300K 3000K,气氛效果,光,色,色,温,应用场所举例,RR RL RD,常用字母,低色温的是暖色，高色温的是冷色,不同色温的应用场所,高照度场所、客厅、白天需补 光场所用RR为佳，显得大气,办公室、教室、阅览室、 显得平和。,卧室、客房、酒吧、餐厅 显得温馨且对眼睛保护有利,a,40,10000 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,a,41,9.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

18、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。,a,42,Thank You,a,43,照明源,被照物,人眼,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,a,44,1.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

19、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。,10.灯具的配光曲线,a,45,LED照明四种基本配光手段,a,46,2.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,a,47,3.配光种类,配光种类一般有：朗伯型、准直型、蝙蝠翼型等；又有轴对称，对称，非对 称等。,a,48,配光平面与立体形式,a,49,配光曲线与光斑对应图,a,50,四、LED驱动基础知识,（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,

20、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,a,51,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

21、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,a,52,4.LED照明驱动电源的工作原理,a,53,（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

22、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,a,54,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

23、的变化更加显著；,a,55,4.各种连接形式优缺点,a,56,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VF）*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

24、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,a,57,（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

25、。对延缓LED的光衰有 利。,高功率因素：功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电 器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对 电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生 较严重的污染。对于30瓦40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也 许会对功率因素方面有一定的指标要求。,a,58,驱动方式： 现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个 恒流源， 每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合 灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高 一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优 点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某

26、个LED故障，不影 响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多 路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以 后的主流方向。,浪涌保护： LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电 压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外， 如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统 会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动 电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。,a,59,保护电路：除常规的欠压保护、过压保护、过流保护外，最好加入 温度反馈电路，因为LED温升对寿命及发光效率都有影响，防止LED 温度过高对LED寿命及延长光衰有利,防护方面： 灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。,驱动电源的寿命：要与LED的寿命相适配。,要符合安规和电磁兼容的要求.,电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称EMC）是在电学 中研究意外电磁能量的产生、传播和接收，以及这种能量所引起的有 害影响。电磁兼容的目标是在相同环境下，涉及