LED照明基礎知識培訓教材

1、,LED照明基本知識及應用,IDV國際電工,目錄,一、LED基本知識,二、熱學基礎知識,三、光學基礎知識,四、LED驅(qū)動基礎知識,LED Light,Emitting,Diode ：（半導體）發(fā)光二極管一種當有,一定正向電流通過時能發(fā)射出一定波長的光，即可以將電能轉(zhuǎn)化為光 能的半導體器件。,一、LED基本知識,1.LED的定義,環(huán)氧樹脂管體 正極引腳,芯片 反射杯 負極引腳,電極引線 金線 塑料管殼,塑料透鏡 硅膠灌封 芯片 熱沉,大功率LED,普通直插式LED封裝,2.LED的基本結構 LED的基本結構由芯片、金線、管體、透鏡、熱沉、電極引線等部 分組成。 金線,1、按安裝方式分 直插式,L

2、ED燈（LED Lamp） 食人魚LEd（Piranha LED）,貼片式,2、按功率大小分 小功率LED：額定工作電流If,100mA（單芯片）,大功率LED：大功率LED：額定工作電流If100mA（單芯片),PCB LED,Top View LED,SideView,LED,3、按發(fā)光顏色分類,單色光LED,暖白光：Tc3000K 冷白光：3700KTc4300K 白光：Tc5700K,R,G,W B,C,M,芯片集成COB模組,4、按芯片組合數(shù)量分類,單芯LED 多芯LED,能級躍遷復合模型,能量,導帶 禁帶，Eg P型載流子 （空穴）,N型載流子 （電子） 價帶,3.LED的發(fā)光原理

3、 1、LED的核心是芯片，它決定著LED的基本光色電特性。 2、LED芯片由三個基本功能區(qū)組成： P型半導體，多數(shù)載流子是空穴； N型半導體，多數(shù)載流子是電子； P型區(qū)與N型區(qū)之間的PN結，通常會形成1至5個周期的量子阱。,3、當電流通過電極作用于芯片時，N型區(qū)的電子和P型區(qū)的空穴被推向PN 結，在多量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，復合所產(chǎn)生的能量以光（有效復合 ）和熱（無效復合）的形式釋放，這就是LED發(fā)光的基本原理。,電學模型,If,（電子）,V,（光子）,Vf, ： 300,400,500,600,700,800,（nm）,紫外 發(fā)光二極管發(fā)出的光的顏色由其中的化學物質(zhì)決定,制造LED的材料不同

4、 ，可以產(chǎn)生具有不同能量的光子，藉此可以控制LED所發(fā)出光的波長， 也就是光譜或顏色 ,所以就是制造LED的材料和電流來決定發(fā)光的光波,4.半導體材料的特性決定著LED的光電參數(shù)：,(3)藍色芯片+黃色熒光粉 （YAG/TAG/硅酸鹽） 白 光,(1)RGB三基色芯片混 色 白光， 或BY雙芯片互補混色 白光,(2)UV芯片+RGB熒光粉 白光,5. LED的白光生成原理,6.LED的優(yōu)點,節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應快、安全、靈活,繼煤油燈、白熾燈、氣體放電燈之后的第四代革命性照明光源,7.LED應用,1.常規(guī)系列,2.感應系列,1、1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室開發(fā)出G

5、aAsP紅,光,LED(0.1lm/W); 2、1968年，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達到了1lm/W，并能發(fā)出 紅光、橙光和黃色光； 3、1971，具有相同效率的GaP綠色LED出現(xiàn)； 4、80年代早期，開發(fā)出AlGaAs LED； 5、1990年，HP公司開發(fā)出AlInGaP LED； 6、1994年，日本科學家中村修二發(fā)明GaN藍光LED； 7、20世紀90年代后期，研制出通過藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED。,8.LED的發(fā)展歷史,lm/W,發(fā) 光 效 率 （,）,未加濾光的白熾燈 加黃色濾光的白熾燈 加紅色濾光白熾燈 10倍提升/10年 LED發(fā)光效率的進展,二、 熱學

6、基礎知識,1、為什么要做熱學設計,由于受整個LED產(chǎn)業(yè)鏈的各種技術制約，目前大功率LED使用中 只有20%左右的電能以發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，而其余80的電 能都轉(zhuǎn)化成為熱能，而這些熱能對LED會產(chǎn)生致命的損傷，所 以如何能讓LED在照明過程中產(chǎn)生的熱量及時有效的傳導出來 ，從而使LED保持長時間的持續(xù)可靠工作，也是目前LED燈具應 用的關鍵技術。,2、結溫對LED的影響,1) 發(fā)光強度降低，隨著芯片結溫的增加，芯片的發(fā)光效率 效率也 會隨之減少，芯片結溫越高，發(fā)光強度下降 越快。,2) 發(fā)光主波長偏移，當LED 的溫度升高時，LED 的波長的 大致變化規(guī)律為每升高10 度，波長紅移1nm，主波長

7、的變化 將會引起混色效果的變化，還會偏移黃色熒光粉的激發(fā)峰值 ，致使轉(zhuǎn)換效率下降。,3) 嚴重降低LED 的壽命，加速LED 的光衰。,LED相對光輸出隨結溫的變化曲線,(a)是CREE公司生產(chǎn)的XLamps系列產(chǎn)品,(b )是LUMILEDS公司生產(chǎn)的LUXEON K2系列產(chǎn)品,LUMILEDS生產(chǎn)的LUXEON K2系列產(chǎn)品結溫與壽命的關系,LED結溫與壽命關系曲線,3、散熱方式,(1). 按熱的傳導方式有三種：對流、傳導、輻射,對流是指透過熱的物質(zhì)的運動來實現(xiàn)熱的傳遞。這意味著，熱能是 來自于被氣體或者液體所包圍熱源，透過分子的移動來實現(xiàn)熱能的 傳遞的。根據(jù)對流的散熱的方式又分為自然對流

8、和強制對流。,傳導是指分子之間的動能交換，能量較低的粒子和能量較高的粒子 碰撞從而獲得能量(是透過物理的直接接觸)，單獨的一塊散熱片是 不能實現(xiàn)熱能的傳導的。傳導是散熱片從芯片獲得熱量的最主要途 徑.,輻射是指熱能從熱源以電磁的形式(由光子傳送)直接發(fā)散出去。輻 射可以在真空中進行。輻射的傳熱效能取決于熱源的材料以及表面 的顏色。,(2). 按照散熱方式可以分成主動式散熱和被動式散熱兩種,主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶 走，其特點是散熱效率高，而且設備體積小.,被動式散熱就是通過散熱片將熱量自然散發(fā)到空氣中。因為是自然散 發(fā)熱量，效果不是很好，其散熱的效果與散熱片

9、大小成正比。其最大 的優(yōu)點就是不需額外耗電，而且不用擔心有風扇壞掉的危險。在LED 燈具中這種散熱方式最常用。,4、散熱片常用材質(zhì),各種金屬材料以及常用合金熱傳導系數(shù) ：,銀: 429W/mk 銅 :401W/mk 金: 317W/mk 鋁 :237W/mk,1070型鋁合金 :226W/mk 1050型鋁合金 :209W/mk 6061型鋁合金 :155W/mk 6063型鋁合金 : 201W/mk,從以上數(shù)值可以看出銀和銅是最好的導熱材料，其次 是金和鋁。但是金、銀太過昂貴，所以，目前散熱片主要 由鋁和銅制成。其中又由于銅密度大，工藝復雜，價格較 貴,所以現(xiàn)在通常的風扇多采用較輕的鋁制成,

10、5、其它常見的散熱技術,散熱片散熱 熱管散熱,均熱板散熱 半導體制冷 風扇散熱 水冷散熱,散熱片與鋁基板之間傳熱主要通過傳導途徑，主要通過散熱片與鋁 基板之間的直接接觸實現(xiàn)。導熱硅脂的意義在于填充二者之間的空隙接 觸出更加完全，保證導熱性。而由于硅油對溫度敏感性低，低溫不變 稠，高溫下也不會變稀，而且不揮發(fā)，所以能夠使用比較長時間。,1.導熱硅脂（導熱、粘接、密封）,特點和用途：,良好的熱傳導性，提高敏感電路及元器件的可靠性，延長使用壽命。 耐候、耐化學腐蝕、耐熱。,戶外運用可免除紫外光、臭氧、水分和化學品的不良影響。,廣泛用于電子、電器等行業(yè)的彈性粘接、導熱及密封。導熱硅膠片,2.導熱硅膠片

11、 特點和用途：,良好的熱傳導性與絕緣性。解決集成芯片不易散熱的主要問題，只須將 其附與發(fā)熱芯片上，同金屬散熱塊有相同效果。,絕緣、減震、抗沖擊，工作溫、濕度范圍廣（-40+150）。 產(chǎn)品為片狀形式可任意裁切，使用簡單。,6、鋁基板與散熱器的連接,三、光學基礎知識,(一). 光的基本概念,光在介質(zhì)中傳播，是能量的一種形態(tài)，是電磁波的一種（與無 線電波和視頻波相同），是整個電磁波譜中極小范圍的一部分。 當光進入人眼時將產(chǎn)生視覺感受，人們這才感受到多彩的世界； 光的強弱是一種感覺現(xiàn)象而取決于人眼的靈敏度和它本身的特性；,電磁輻射譜,能夠引起人眼視覺部分380nm-780nm,LED光譜圖,各種顏色

12、光譜分布,常見七種光色與波長對照表,峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個相對光強度 最強處（光輸出最大），與之相對應有一個波長，此波長 叫峰值波長，用p表示。只有單色光才有p波長。,譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側處，存在兩個光強 等于峰值（最大光強度）一半的點，此兩點分別對應p - ， p +之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或 半高寬度。,主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個峰值波 長；甚至有多個峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性 而引入主波長。主波長就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出 主要單色光的波長。單色性越好，則p也就是主波長。如 GaP材料可發(fā)出多個峰值波

13、長，而主波長只有一個，它會隨 著LED長期工作，結溫升高而主波長偏向長波。,發(fā)光波長及其光譜特性,譜能 量分 布圖,日光光譜能量分布圖 三基色熒光燈光譜能量分布圖,真彩熒光燈光譜能量分布圖 白光LED光譜能量分布圖,幾種 常用 光源 的光,(二)、常用光學術語 1.光通量,光通量(Luminous Flux)：能夠被人的視覺 系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小， 單位為lm。,2.光強,光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，稱為光源在該方向的發(fā)光強度，簡稱光強。 單位：(坎德拉) cd,3.照 度,照度(Illuminance)：表面上一點的光照度 是入射在包含該點的面元上的光通量d

14、 除以該面元面積dA。 照度的公制單位是lx(lm/m2),4.亮度(luminance),亮度(Luminance)：在給定方向上，每單位 面積上的發(fā)光強度。 亮度的公制單位是cd/m2(也稱Nit),眼,燈具,光通量,光強,照度,亮度 對象物,光通量，光強，照度，亮度之間的關系,眩光,對比眩光,失能眩光,光源太近，光線太亮,鏡面、金屬面、,光漆面，成像屏幕 反射眩光 視覺適應后，增加光源或增大亮度,5、眩光 眩光：由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對比，以致 引起不舒適感覺或降低觀察目標細部能力的視覺現(xiàn)象，統(tǒng)稱眩光。 對比過大，光源較近,值。,光源效率（lm/w）=,流明

15、（lm）,耗電量（w） 即每一瓦電力所發(fā)出的量，其數(shù)值越高表示光源效率越 高，所以，對于點燈時間較長的場所，如辦公室、走廊、 隧道等，光源效率通常是一個重要的考慮因素。,綜合效率（lm/w）=,流明（lm） 系統(tǒng)耗電量（w）,6.光源效率: 光源效率是以其所發(fā)出的光的流明除以其耗電量所得之,7.顯色指數(shù) 光源對物體顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程 度，顯色性高的光源對顏色的再現(xiàn)較好，我們所看到的顏色也 就較接近的自然原色，顯色性低的光源對顏色的再現(xiàn)較差，我 們所看到的顏色偏差也較大在光源照射下的色彩的再現(xiàn)度的數(shù) 值表示以Ra100為基準光，數(shù)值越低，與基準光差異越大.,顯色指數(shù)分類

16、,8.色溫,一個黑體被加熱到一定的溫度時開始發(fā)出暗紅色光，溫度再升高 光的顏色變成黃白色、白色、蘭白色。我們把發(fā)出某顏色光時物 體的溫度稱為該顏色的色溫.,冷的氣氛 爽快的氣 氛 穩(wěn)重的氣 氛,清 涼 中 間 (白) 溫 暖,5700K 3700- 4300K 3000K,氣氛效果,光,色,色,溫,應用場所舉例,RR RL RD,常用字母,低色溫的是暖色，高色溫的是冷色,不同色溫的應用場所,高照度場所、客廳、白天需補 光場所用RR為佳，顯得大氣,辦公室、教室、閱覽室、 顯得平和。,臥室、客房、酒吧、餐廳 顯得溫馨且對眼睛保護有利,10000 K,早晨的陽光（偏藍的光）,6000 K 5000

17、K 2000 K,中午的陽光 下午的陽光 黃昏的陽光（偏紅的光）,自 然 光,9.CIE色度圖,國際照明委員會(簡稱,CIE)的色度圖發(fā)展于1931 年，是以科學化方法標示 顏色的規(guī)范之一。它表明 了某一光源的顏色或在給 定照明情況下物體表面所 反射的光的顏色。,黑體軌跡線,黑體的色溫值分布于CIE,色三角形并形成一條曲線， 即黑體軌跡線，也被稱作 普朗克軌跡。任何具有光 譜能量分布的類似黑體的 光源都會在普朗克軌跡上 找到它對應的色溫。,Thank You,照明源,被照物,人眼,電源 光源 燈具 控制器,吸收 反射 透射 光澤度,生理效應 視見函數(shù) 大腦 心理效應,光潔度 能源管理 光譜特性

18、 生物效應,照明的三大要素,1.配光曲線的定義,配光曲線又叫發(fā)光強度分布曲線，三維空間里用矢量表示，把矢量的 終端連接起來，構成封閉的光強體，當光強體被通過z軸線的平面截割 時，在平面上獲得一封閉的交線此交線以極坐標的形式繪制在平面 圖上，就是燈具的配光曲線。,10.燈具的配光曲線,LED照明四種基本配光手段,2.配光曲線表達方式 配光形式一般用：極坐標和直角坐標形式表達,極坐標方式表達,直角坐標方式表達,3.配光種類,配光種類一般有：朗伯型、準直型、蝙蝠翼型等；又有軸對稱，對稱，非對 稱等。,配光平面與立體形式,配光曲線與光斑對應圖,四、LED驅(qū)動基礎知識,（一）、驅(qū)動電源的概念,1.什么是

19、LED驅(qū)動,LED驅(qū)動電源是把電源供應轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動LED發(fā) 光的電壓轉(zhuǎn)換器。,2.LED為什么須驅(qū)動電源,因為led燈珠的額定電壓電流是低壓直流（1.8-4V之間、20毫 安至700毫安不等），而我們除了一些特定的燈具以外，其他 都是直接用交流市電輸入來點亮燈具，所以必須要有一個驅(qū)動 器來把高壓交流的輸入電流轉(zhuǎn)換為led適用的低壓直流電流。 即使是12V或者24V蓄電池直接直流輸入，電池也存在充滿狀態(tài) 電壓高和即將放電完畢狀態(tài)電壓低的問題，換言之也就是電壓 也會有波動，電壓的波動會影響led燈珠的壽命，所以必須都要 適用驅(qū)動器,CD段：反向擊穿區(qū) LED的反向電壓一般不要超過 1

20、0V，最大不得超過15V，否則就會出現(xiàn)反向 擊穿，導致LED報廢。,LED伏安特性曲線,3.LED的伏安特性 OA段：正向死區(qū) VA為開啟LED發(fā)光的 電壓。比如紅色（黃色）LED的開啟電壓 一般為0.20.25V。 AB段：工作區(qū)在這一區(qū)段，一般是隨著電壓增 加電流也跟著增加，發(fā)光亮度也跟著增大。 但在這個區(qū)段內(nèi)要特別注意，如果不加任何 保護，當正向電壓增加到一定值后，那么LED 的正向電壓會減小，而正向電流會加大。如 果沒有保護電路，會因電流增大而燒壞發(fā)光 二極管。 OC段：反向死區(qū) LED加反向電壓是不 發(fā)光的（不工作），但有反向電流。這個 反向電流很小，一般在幾A之 內(nèi),4.LED照明

21、驅(qū)動電源的工作原理,（二）、LED連接電路的常見形式,1.串聯(lián),這種電路需要電源提供較高的電壓。,V總=各LED的VF之和=VF1+VF2+VF 3+VF 4- -+VF N,I總=單顆LED的IF值,串聯(lián)電路,2.并聯(lián),這種電路需要電源能提供較高的電流。,V總=單顆LED的VF 值,I總=各LED的IF之和=IF1+IF2+IF3+IF4- -+IFN,并聯(lián)電路,先串后并,先并后串,3.串聯(lián)/并聯(lián)組合 a、在實際運用中，負載常采用通過串并聯(lián)形成的LED陣列； b、將LED連接成串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式，可大幅減低因少數(shù)LED 的VF不一致造成的影響； c、陣列形式或LED個數(shù)變化，限流電阻也應相

22、應變化。 d、串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式會使輸出電流隨輸入電壓和環(huán)境溫度 等因素而發(fā)生的變化更加顯著；,4.各種連接形式優(yōu)缺點,A 恒壓產(chǎn)品的 PCB恒壓串接原理 12V：3Pcs*3.4V+100*0.018A=12V,24V：6Pcs*3.4V+200*0.018A=24V , 7Pcs*3.4V+0=24V （帶驅(qū)動轉(zhuǎn)換電路的不在此列）,B 簡單以LED功率計算：燈珠功率*顆數(shù)/0.8=總功耗,例：A27 0.018A（額定電流）*3.2V（燈珠VF）*27顆/0.8=1.944W C 按電路功率計算：,例：A27-12V 每路3顆LED串聯(lián)，共9路相并，共27顆草帽LED 得出：0.018（

23、每路電流）*9路*12V=1.944W,注：如果是高壓輸入的話，整個產(chǎn)品的功率還以LED燈板的功率除 以電源的轉(zhuǎn)換效率；,大功率LED在多顆串接之后，在恒流（高電流350/700mA）輸入時瞬 間產(chǎn)生的電壓峰值易沖擊燒壞燈珠。所以使用此類產(chǎn)品時注意先接低 壓部分，再接高壓部份。,5.LED產(chǎn)品的功率計算,（三）、LED驅(qū)動電源的選擇,高可靠性：特別像LED路燈的驅(qū)動電源，裝在高空，維修不方便，維,修的花費也大。,高效率：LED是節(jié)能產(chǎn)品，驅(qū)動電源的效率要高。對于電源安裝在燈 具內(nèi)的結構，尤為重要。因為LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下 降，所以LED的散熱非常重要。電源的效率高，它的耗損

24、功率小，在 燈具內(nèi)發(fā)熱量就小，也就降低了燈具的溫升。對延緩LED的光衰有 利。,高功率因素：功率因素是電網(wǎng)對負載的要求。一般70瓦以下的用電 器，沒有強制性指標。雖然功率不大的單個用電器功率因素低一點對 電網(wǎng)的影響不大，但晚上大家點燈，同類負載太集中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生 較嚴重的污染。對于30瓦40瓦的LED驅(qū)動電源，據(jù)說不久的將來，也 許會對功率因素方面有一定的指標要求。,驅(qū)動方式： 現(xiàn)在通行的有兩種：其一是一個恒壓源供多個 恒流源， 每個恒流源單獨給每路LED供電。這種方式，組合 靈活，一路LED故障，不影響其他LED的工作，但成本會略高 一點。另一種是直接恒流供電，LED串聯(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)

25、 點是成本低一點，但靈活性差，還要解決某個LED故障，不影 響其他LED運行的問題。這兩種形式，在一段時間內(nèi)并存。多 路恒流輸出供電方式，在成本和性能方面會較好。也許是以 后的主流方向。,浪涌保護： LED抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電 壓能力。加強這方面的保護也很重要。有些LED燈裝在戶外， 如LED路燈。由于電網(wǎng)負載的啟甩和雷擊的感應，從電網(wǎng)系統(tǒng) 會侵入各種浪涌，有些浪涌會導致LED的損壞。因此LED驅(qū)動 電源要有抑制浪涌的侵入，保護LED不被損壞的能力。,保護電路：除常規(guī)的欠壓保護、過壓保護、過流保護外，最好加入 溫度反饋電路，因為LED溫升對壽命及發(fā)光效率都有影響，防止LED 溫度過高對LED壽命及延長光衰有利,防護方面： 燈具外安裝型，電源結構要防水、防潮，外殼要耐曬。,驅(qū)動電源的壽命：要與LED的壽命相適配。,要符合安規(guī)和電磁兼容的要求.,電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC）是在電學 中研究意外電磁能量的產(chǎn)生、傳播和接收，以及這種能量所引起的有 害影響。電磁兼容的目標是在相同環(huán)境下，涉及電磁