LED基礎(chǔ)知識(shí)講義

1、 LED 基礎(chǔ)知識(shí)講義基礎(chǔ)知識(shí)講義 LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一一: Led : Led 基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介1. 1. 定義、結(jié)構(gòu)及分類定義、結(jié)構(gòu)及分類2. Led2. Led主要制作工藝及廠商簡(jiǎn)介主要制作工藝及廠商簡(jiǎn)介3. 3. 主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性二：大功率二：大功率LEDLED燈具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)燈具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)1. LED1. LED及驅(qū)動(dòng)電源的選擇及驅(qū)動(dòng)電源的選擇2. 2. 散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)3. 3. 光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)定義定義1.1.什么是什么是LED（light emitting diode） LED 利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。它是一

2、種用微弱的電能就能發(fā)光的高效固體光源，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用。它的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片；在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱為p-n結(jié)。 注入式電致發(fā)光原理注入式電致發(fā)光原理 在PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān) 。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極引腳和光

3、學(xué)系統(tǒng)組成。 普通插件式LED結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)大功率貼片式LED結(jié)構(gòu)圖分類分類按光顏色分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠)、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類型。2. 按發(fā)光管出光面特征分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為3mm、5mm等,方形分為3528，5050燈。3.從發(fā)光強(qiáng)度角分布來(lái)分有三類：1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高

4、的指向性，可作局部照明光源用。2)標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為2045。3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為4590，散射劑的量較大。4. 按安裝方式，分為插件式（DIP）和貼片式（SMT)。5. 按功率大小分為三種。普通LED(電流20MA且光效 8lm/W )，高亮度LED(光效 8lm/W，功率1W)和大功率LED (電流350MA或功率 1W)。另外還有其他分類方法：如UV LED, Laser LED等。全球主要全球主要LED廠商簡(jiǎn)介廠商簡(jiǎn)介主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性1.電學(xué)特性1.1 I-V特性特性 PN結(jié)伏安特性，表征LED芯片pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。不同的電流直接

5、影響led的發(fā)光亮度和PN結(jié)的結(jié)溫. LED的I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。IF-正向直流電流（正向測(cè)試電流），在規(guī)定的正向電壓VF下，通過(guò)極間的電流 ，不同LED因材料不同有不同的IF。 VF-LED正向?qū)〞r(shí)所需電壓，同種顏色LED可能有不同的VF，所以LED公司按電壓區(qū)間分Group或BIN來(lái)加以區(qū)分，以便用戶使用。IFM-正向峰值電流（正向最大電流）。在額定功率下，允許通過(guò)二極管的最大正向脈沖電流。 注：一般IF=0.6IFMVR - 稱為反向擊穿電壓；VR 電壓對(duì)應(yīng)IR 為反向漏電流不同LED因材料不同，有不同的VR。 主要

6、參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性LED 的點(diǎn)亮?xí)r間上升時(shí)間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開(kāi)始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。LED 熄滅時(shí)間下降時(shí)間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來(lái)的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。不同材料制得的LED 響應(yīng)時(shí)間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)間10-9S，GaP 為10-7 S。因此它們可用在10100MHZ 高頻系統(tǒng)。 注：t0 值很小，可忽略。主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性1.2 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 表征LED跟蹤外部信息變化的快慢。從使用角度來(lái)看，就是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間 主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性）光束角（beam

7、angle )：在通過(guò)最大光強(qiáng)半平面上，兩條最大光強(qiáng)方向之間的夾角稱為該平面的光束角）光束擴(kuò)散角 (field angle )：在包含最大光強(qiáng)的某個(gè)平面上，兩條為最大光強(qiáng)的光線之間的夾角稱為該平面的光束擴(kuò)散角（或稱有效光束角）在引出雜散光線的時(shí)候，出現(xiàn)了這個(gè)光束角以及最大光強(qiáng)的概念 兩者的區(qū)別： LED光學(xué)特性光學(xué)特性 2.1 光強(qiáng)與光束角（發(fā)光角光強(qiáng)與光束角（發(fā)光角）光強(qiáng)光強(qiáng) 表征LED發(fā)光強(qiáng)弱的重要性能 光束角光束角 描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。 主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.2 光通量光通量 表征LED 總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。F為L(zhǎng)ED 向各個(gè)方向發(fā)光的

8、能量之和，可見(jiàn)光LED 的光通量單位為流明（lm）,它與工作電流的關(guān)系如下。2.3 光效光效 是指LED所發(fā)出的光通量與其所消耗的電功率 P之比,單位為流明/瓦（lm/w）,是評(píng)價(jià)電光源用電效率最主要的技術(shù)參數(shù),它與工作電流的關(guān)系如下。主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性同一型號(hào)的同一型號(hào)的LED在同一電流下可能有著不同的光通量，在同一電流下可能有著不同的光通量，LED公司通常用公司通常用Luminous Flux Bin 來(lái)分類區(qū)分，以下是一典型的光通量來(lái)分類區(qū)分，以下是一典型的光通量BIN 分類：分類： 注：注： 對(duì)小功率對(duì)小功率LED可能會(huì)用光強(qiáng)來(lái)分可能會(huì)用光強(qiáng)來(lái)分BIN主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及

9、特性2.4 光譜分布光譜分布 LED 發(fā)光強(qiáng)度或光功率輸出隨著波長(zhǎng)變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長(zhǎng)、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。它與制備所用化合物半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無(wú)關(guān);以下是不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得LED 光譜分布曲線 。 峰值波長(zhǎng)：相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)（光輸出最大）處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，用p表示。只有單色光才有p波長(zhǎng)。 譜線寬度：在LED 譜線的峰值兩側(cè)處，存在兩個(gè)光強(qiáng)等于峰值（最大光強(qiáng)度）一半的點(diǎn)，此兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)p-，p+ 之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。半高寬度反映譜

10、線寬窄，即LED 單色性的參數(shù)，LED 半寬小于40 nm。 主波長(zhǎng)：LED 發(fā)出的有多個(gè)峰值的非單色光中，人眼所能觀察到的，主要單色光的波長(zhǎng)，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波 。主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.5 色品坐標(biāo)、色溫與顯色性色品坐標(biāo)、色溫與顯色性 色品坐標(biāo)用來(lái)準(zhǔn)確地表達(dá)光源的表觀顏色.但具體的數(shù)值很難與習(xí)慣的光色感覺(jué)聯(lián)系在一起.人們經(jīng)常將光色偏橙紅的稱為“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱為“冷色”,因此用色溫來(lái)表示光源的光色會(huì)更加直觀。 2.5.1 色溫與色品坐標(biāo)的關(guān)系式近似如下： 其關(guān)系曲線如右色品圖，由此可見(jiàn)，不要的色品坐標(biāo)可能會(huì)有同樣的色溫 ，所以能唯一決定顏色的參數(shù)是色品坐標(biāo)，色溫只

11、能參考。一般，LED封裝廠都會(huì)按色品坐標(biāo)不同用不同的Bin來(lái)區(qū)分白光的顏色。以下一典型的Bin分布圖。大功率LED供應(yīng)商一般會(huì)要求四個(gè)Bin同時(shí)購(gòu)買，如數(shù)量較少時(shí)可以考慮與供應(yīng)商溝通買單個(gè)Bin.主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性典型的Color Bin 分區(qū)主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性顯色指數(shù)是體現(xiàn)光源所發(fā)光顯示物體表面原本顏色的能力。光源顯色性能越高，物體表面顏色越真實(shí)。越接近自然光譜(或者說(shuō)是標(biāo)準(zhǔn)光譜)，顯色指數(shù)越高。要改善，那就要添加原來(lái)缺少的光譜。色溫是專門(mén)用來(lái)量度光線的顏色成分的，色溫只是用來(lái)表示顏色的視覺(jué)印象。因此：顯色性與色溫間沒(méi)有必然聯(lián)系,不同的色溫可以

12、做到相同的顯色指數(shù),或者說(shuō),相同的顯色指數(shù),可以做成不同色溫的光源 。2.5.2 色溫與顯色性的關(guān)系另外，色品坐標(biāo)會(huì)隨正向電流的變化而變化，即光的顏色會(huì)隨正向電流的變化而變化；關(guān)系曲線如右圖主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.6 壽命壽命 是評(píng)價(jià)led產(chǎn)品可用周期的質(zhì)量指標(biāo),通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應(yīng)用中,有效壽命是指led在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規(guī)定百分比時(shí)所持續(xù)的時(shí)間. 1)平均壽命一批led同時(shí)點(diǎn)亮,當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,led不亮達(dá)到50%時(shí)所用的時(shí)間.2)經(jīng)濟(jì)壽命在同時(shí)考慮led損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時(shí)的小時(shí)數(shù).此比例用于室外光源為70

13、%,用于室內(nèi)光源為80%. 在評(píng)價(jià)LED壽命時(shí)，必須留意此壽命對(duì)應(yīng)的結(jié)溫值主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7 熱學(xué)特性熱學(xué)特性 LED的主要熱學(xué)參數(shù)有結(jié)溫結(jié)溫（Tj）和熱阻熱阻（Rth）有很大的關(guān)系。 LED的許多特性參數(shù)與結(jié)溫有很大的關(guān)系 ，具體如下：2.7.1 LED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系 可表示為：由上式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10，則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。 2.7.2 LED結(jié)溫與壽命的關(guān)系結(jié)溫與壽命的關(guān)系主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7.3 LED結(jié)溫與電流的關(guān)系結(jié)溫與電流的關(guān)系 白光工作電流基本上隨溫度的升高而升高，表現(xiàn)為 正溫度特性，近似變化

14、率約為0.06mA/2.7.4 LED結(jié)溫與色品坐標(biāo)的關(guān)系結(jié)溫與色品坐標(biāo)的關(guān)系 如右上圖主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7.5 LED結(jié)溫與正向電壓和光通量的關(guān)系結(jié)溫與正向電壓和光通量的關(guān)系 如下圖LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇1. 1 Led光源的選擇光源的選擇 可以按以下步驟進(jìn)行分析客戶對(duì)光的需求發(fā)光角度某一高度下光斑及照度大小以下舉一例說(shuō)明這個(gè)過(guò)程估算所需光通量根據(jù)客戶對(duì)光的需求理論分析估算出所需光通量；如客戶無(wú)明顯對(duì)光的需求，則類比傳統(tǒng)光源得出所需光通量初步選定LED必須結(jié)合客戶對(duì)LED專利的要求、對(duì)色溫、顯色性、光效以及壽命等要求來(lái)最終選型測(cè)試驗(yàn)證LED通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證選擇LED

15、是否滿足客戶需求，如未達(dá)客人要求，需分析后再調(diào)整選擇方案1.1.1 分析客戶的光需求分析客戶的光需求 以下是客人對(duì)一款LED臺(tái)燈的要求，分析相關(guān)需求并預(yù)估燈具光通量參數(shù);如客戶無(wú)相關(guān)需求，就通過(guò)和類似傳統(tǒng)光源的燈具類比，直接得出光通量參數(shù)；附件是部分傳統(tǒng)光源的光參數(shù)表。LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇LED與驅(qū)動(dòng)電源的選擇與驅(qū)動(dòng)電源的選擇散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)圖 1基板LED圖圖2 一維熱傳導(dǎo)模型熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)好的熱傳導(dǎo)：好的熱傳導(dǎo)：選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、熱阻低的導(dǎo)熱材料

16、,常見(jiàn)材料導(dǎo)熱系數(shù) ( W/m ) 如下:1.加大散熱面積,但考慮成本和外形的影響我們因盡可能的選擇合理的散熱面積及散熱器結(jié)構(gòu), 常見(jiàn)散熱器和散熱設(shè)計(jì)方法介紹如下附件,同時(shí)可一用Icepak, Qled等進(jìn)行熱模擬分析.散熱設(shè)計(jì)散熱設(shè)計(jì)熱對(duì)流熱對(duì)流 合理的散熱器結(jié)構(gòu)來(lái)保證熱發(fā)熱區(qū)與外部環(huán)境間有足夠的空氣流通, 必要時(shí)可用風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流散熱。光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì) 大功率LED照明在成為照明產(chǎn)品前，一般要進(jìn)行兩次光學(xué)設(shè)計(jì)。把LED IC封裝成LED光電零組件時(shí)，要先進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)，以解決LED的出光角度、光強(qiáng)、光通量大小、光強(qiáng)分布、色溫的范圍與分布。這就是所謂的一次光學(xué)設(shè)計(jì)。二次光學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)大功率L

17、ED照明來(lái)說(shuō)：一般大功率LED都有一次透鏡，發(fā)光角度為120度左右。二次光學(xué)就是將經(jīng)過(guò)一次透鏡后的光再通過(guò)一個(gè)光學(xué)透鏡改變它的光學(xué)性能。簡(jiǎn)單地說(shuō)，一次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光。二次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的則是讓整個(gè)燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設(shè)計(jì)需求。對(duì)于LED的二次光學(xué)處理不外乎如下幾種： 1、反光杯（優(yōu)點(diǎn)：理論上出光效率高，假如反光層鍍的好的話； 缺點(diǎn)：光斑的控制很難，主要是反光杯對(duì)形狀和焦點(diǎn)位置非常敏感、 而且常常受到鬼像的干擾。 2、透鏡（優(yōu)點(diǎn)：處理模式多樣化、光斑均勻性的問(wèn)題可以比較好的解決； 缺點(diǎn)：效率相對(duì)不高） 3、反光杯+透鏡（特殊用途可以考慮） 4、不處理（假如LE

18、D光通量足夠大且發(fā)光角度滿足需求的話，光效率最高） 一般來(lái)說(shuō)：如果要求光斑是圓形，使用反光杯比使用透鏡損耗要??；如果光斑為非圓形，反光杯本身將有一定的光損耗。另外，在處理20以下光束角的配光需求時(shí)，反光杯會(huì)比透鏡笨拙很多。光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì) 3.1 反光杯設(shè)計(jì) 1. 材質(zhì)選擇-反射率高的材料；采用高純度鋁材，或其他材質(zhì)表面鍍金屬覆膜或者其他高反射率的復(fù)合材料，一般可以獲得的反射效率在85%98% ,不同材料的反射率如下： 2. 正確反光杯形狀-利用軟件模擬設(shè)計(jì)，如: Photopia光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)3.2 透鏡設(shè)計(jì)3.2.1 LED透鏡的材料種類：1硅膠透鏡；a. 因?yàn)楣枘z耐溫高（也可以過(guò)回流焊

19、），因此常用直接封裝在LED芯片上；b. 一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm；2. PMMA透鏡a. 光學(xué)級(jí)PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）,目前為日本三菱PMMA材 料為最好（現(xiàn)在的VH5與VH001質(zhì)量更高）。 b . 塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑完成）；透光率高（3mm厚度 時(shí)穿透率93%左右）；缺點(diǎn)：耐溫70%（熱變形溫度90度）；3PC透鏡a. 光學(xué)級(jí)Polycarbonate（簡(jiǎn)稱PC）聚碳酸酯b. 塑膠類材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（可以通過(guò)注塑完成）；耐溫高（130度以上）； 缺點(diǎn)：透光率稍底（87%）；4 玻璃透鏡光學(xué)玻璃材料，具有透光率高（97%）耐溫

20、高等特點(diǎn)，缺點(diǎn)：易碎、非球面精度不易實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。光學(xué)設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)3.2.2 LED透鏡規(guī)格分類透鏡規(guī)格分類：1 穿透式（凸透鏡）穿透式（凸透鏡）a. 當(dāng)LED光線經(jīng)過(guò)透鏡的一個(gè)曲面（雙凸有個(gè)曲面）時(shí)光線會(huì)反生折射而聚光，而 且當(dāng)調(diào)整透鏡與LED之間的距離時(shí)角度也會(huì)變化（成反比），經(jīng)過(guò)非球面技術(shù)設(shè) 計(jì)的曲面光斑將會(huì)非常均勻，但因?yàn)橥哥R直徑的局限性，透鏡側(cè)面的光線得不到 利用（漏光）；b一般應(yīng)用在大角度（40-80度）聚光，如臺(tái)燈，路燈，室內(nèi)燈具等；2 全反射式（錐型或叫杯型）全反射式（錐型或叫杯型）a, 透鏡的設(shè)計(jì)在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側(cè)光全部收集并反射出去， 而這兩種光線的重疊（角度相同）就可得到最完善的光線利用與漂亮的光斑效果；b也可在錐形透鏡表面做些改變，可設(shè)計(jì)成鏡面、磨砂面、珠面、條紋面、螺紋面、 凸或凹面等而得到不同光斑效果。3. LED透鏡模組透鏡模組a. 是將多個(gè)單顆透鏡通過(guò)注塑