LED基礎(chǔ)知識原理

1、LED基礎(chǔ)知識培訓(xùn)2011年8月李修連第一部分：第一部分：基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識篇知識篇 LED的的基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識知識 照明的照明的基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識知識LED的的基礎(chǔ)基礎(chǔ)知識知識LED是什么是什么LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理LED光源的特光源的特點(diǎn)點(diǎn)LED的特性的特性(技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo))LED的分類的分類LED的應(yīng)用的應(yīng)用LED使用注意事項(xiàng)使用注意事項(xiàng)一、一、LED是什么？是什么？ Light Emitting Diode,即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青

2、、橙、紫、白燈顏色的光。二、二、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理 50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode(發(fā)光二極管)的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性好.發(fā)光二極管的核心部分是由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)體之間有一個過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的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)會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能

3、。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 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)。三、三、LED光源的特點(diǎn)光源的特點(diǎn)電壓：電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在624V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：10

4、萬小時(shí)，光衰為初始的50% 響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級 環(huán)保環(huán)保：無有害金屬汞 顏色：顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時(shí)為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色 價(jià)格：價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300500只二極管構(gòu)成。一般LED的發(fā)光壽命很長，生產(chǎn)廠家一般都標(biāo)明為100,000小時(shí)以上，實(shí)際還應(yīng)注意LED的亮度衰減周期，如大部分用于汽車尾燈的UR紅管點(diǎn)亮

5、十幾至幾十小時(shí)后，亮度就只有原來的一半了。亮度衰減周期與LED生產(chǎn)的材料工藝有很大關(guān)系，一般在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下應(yīng)選用亮度衰減較緩慢的四元素LED。白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21，藍(lán)色的亮度為10時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過程等原因無法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為配色。 LED不但色彩飽和，而且設(shè)計(jì)靈活，此外，與傳統(tǒng)白光源相比，LED節(jié)能8090% ，并且光束不產(chǎn)生熱量。 在白光應(yīng)用中，LED的發(fā)光效率是白熾燈及鹵素?zé)舻?倍以上，并且最好的白色LED比標(biāo)準(zhǔn)60 10

6、0 W白熾燈 (17 Lm/W)的效率要高出許多。目前，在實(shí)驗(yàn)室中演示的白色LED的發(fā)光效率已接近熒光燈(80 Lm/W)。 LED的主要缺點(diǎn)是成本高、光輸出低，這是LED技術(shù)攻關(guān)要解決的主要問題，最近幾年已取得較大進(jìn)展。對商業(yè)白色LED來說，利用大面積芯片及特殊封裝技術(shù)可以使每個器件的光輸出提高100倍，并使每流明光輸出的成本下降80%。四、四、LED的特性的特性1極限參數(shù)極限參數(shù) 允許功耗允許功耗Pm：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LED發(fā)熱、損壞。 最大正向直流電流最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。 最大反向電

7、壓最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 工作環(huán)境工作環(huán)境topm：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。2電參數(shù)的意義電參數(shù)的意義 光譜分布和峰值波長光譜分布和峰值波長：某一個發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長。 由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長0的光強(qiáng)最大，該波長為峰值波長。 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線(對圓柱形發(fā)光管是指其軸線)方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為(1/683)W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉(符號為cd)。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光

8、強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。 光譜半寬度光譜半寬度:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指光譜圖中1/2峰值光強(qiáng)所對應(yīng)兩波長之間隔. 半值角半值角1/2和視角和視角： 1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向(法向)的夾角。 半值角的2倍為視角(或稱半功率角)。 光譜圖給出的二只不同型號發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線(法線)AO的坐標(biāo)為相對發(fā)光強(qiáng)度(即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比)。顯然，法線方向上的相對發(fā)光強(qiáng)度為1，離開法線方向的角度越大，相對發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 正向工作電流正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需

9、要選擇IF在0.6IFm以下。 正向工作電壓正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時(shí)測得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.43V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。 V-I特性特性：發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。 在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR五、五、LED的分類的分類 1 按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分 按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)

10、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、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。 2 按發(fā)光管出光面特征分 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、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、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。國外通常把3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把5mm的記作T-1 (3/4)；把4.4mm的記作T-1(1/4)。 由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類：

11、(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5 20或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。 (2) 標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20 45。 (3) 散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45 90或更大，散射劑的量較大。3按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。 4按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分 按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的LED (發(fā)光強(qiáng)度100mcd)；把發(fā)光強(qiáng)度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 一般LED的工作電流在十幾mA

12、至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下(亮度與普通發(fā)光管相同)。 除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。六、六、LED的應(yīng)用的應(yīng)用 由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。 由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下。 LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器中。1普通發(fā)光二極管的檢測(1) 用萬用表檢測。利用具有10k擋的指針

13、式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí)，二極管正向電阻阻值為幾十至200k,反向電阻的值為。如果正向電阻值為0或?yàn)椋聪螂娮柚岛苄』驗(yàn)?，則易損壞。這種檢測方法，不能實(shí)地看到發(fā)光管的發(fā)光情況，因?yàn)?0k擋不能向LED提供較大正向電流。 若有兩塊指針萬用表(最好同型號)可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬用表的“+”接線柱與另一塊表的“-”接線柱連接。余下的“-”筆接被測發(fā)光管的正極(P區(qū))，余下的“+”筆接被測發(fā)光管的負(fù)極(N區(qū))。兩塊萬用表均置10擋。正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至1若，若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)

14、光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意，不能一開始測量就將兩塊萬用表置于1，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。(2) 外接電源測量。用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表(指針式或數(shù)字式皆可)可以較準(zhǔn)確測量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測得VF在1.43V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常。如果測得VF=0或VF3V，且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。2紅外發(fā)光二極管的檢測紅外發(fā)光二極管的檢測 由于紅外發(fā)光二極管，它發(fā)射13m的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW，不同型號的紅外LED發(fā)光強(qiáng)度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1.32.5V。正是由

15、于其發(fā)射的紅外光人眼看不見，所以利用上述可見光LED的檢測法只能判定其PN結(jié)正、反向電學(xué)特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否。為此，最好準(zhǔn)備一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光電池)作接收器。用萬用表測光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當(dāng)正向電流后是否發(fā)射紅外光。九、九、LED安裝使用注意事項(xiàng)安裝使用注意事項(xiàng)1. 使用電流使用電流a) 由于LED具有隨著電壓稍加而電流迅速增加之特性；b) 過高的電流會引起LED燈的燒毀或亮度的衰減；c) 在使用時(shí)應(yīng)加一個電阻與LED燈串聯(lián)，起到限流作用；d) LED應(yīng)在相同的電流條件下工作，一般建議通LED的電流為1519mA。 2. 亮度的

16、測試和產(chǎn)品使用說明亮度的測試和產(chǎn)品使用說明 a) 檢測和使用LED時(shí)，必須給每個LED提供相同電流即恒流檢測，才能保證檢測亮度一致，電流最好不要超過20mA，最好使用15-19mA的電流。 b) 使用分光分色的產(chǎn)品時(shí)，請按BIN號的先后順序歸類使用，不能把不同BIN號 LED混合使用在同一產(chǎn)品中，以免產(chǎn)生顏色、亮度、電壓的差異。 如果要混BIN號使用，相鄰BIN號可放一起，但盡量避免。3. 防靜電注意事項(xiàng)防靜電注意事項(xiàng)a) 所有接觸LED的設(shè)備和儀器必須接地良好，特別焊接的烙鐵和錫爐必須接地良好。b) 操作人員必須佩帶接地的防靜電手腕，穿防靜電鞋及防靜電衣服。c) 防靜電手腕必須每天進(jìn)行測試，

17、不合格的必須更換。d) 若LED有被靜電損害，會顯示一些不良特性：漏電電流增加，靜態(tài)順向電壓降低或上升，在低電流測試下不亮或發(fā)光不正常。4. LED焊接條件焊接條件a) 烙鐵焊接：烙鐵(最高30W)尖端溫度不超過300；焊接時(shí)間不超過3秒；焊接時(shí)間不超過3秒；焊接位置至少離膠體3毫米。b) 浸焊：浸焊最高溫度260；浸焊時(shí)間不超過5秒；浸焊位置至少離膠體2毫米。5. 引腳成形方法引腳成形方法a) 必需離膠體2毫米才能折彎支架,以免引起膠體破裂或損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)；b) 支架成形必須用夾具或由專業(yè)人員來完成；c) 支架成形必須在焊接前完成；d) 支架成形需保證引腳和間距與線路板上一致。6. LED安裝

18、方法安裝方法a) 注意各類器件外線的排列，以防極性裝錯。器件不可與發(fā)熱元件靠得太近；b) 務(wù)必不要在引腳變形的情況下安裝LED；c) 當(dāng)決定在孔中安裝時(shí)，計(jì)算好面孔及線路板上孔距的尺寸和公差以免支架受過度的壓力；d) 安裝LED時(shí)，建議用導(dǎo)套定位；e) 在焊接溫度回到正常以前，必須避免使LED受到任何的震動或外力。 7. 清洗清洗 當(dāng)用化學(xué)品清洗膠體時(shí)必須特別小心，因?yàn)橛行┗瘜W(xué)品對膠體表面有損傷并引起褪色如三氯乙烯、丙酮等?？捎靡掖疾潦谩⒔n，時(shí)間在常溫下不超過3分鐘。照明的基本知識照明的基本知識 重要照明術(shù)語重要照明術(shù)語 光色光色/色溫的應(yīng)用色溫的應(yīng)用一、一、重要照明術(shù)語重要照明術(shù)語光通量光

19、通量： 發(fā)光體每秒鐘所發(fā)出的光量的總和。單位：流明(Lm)，表示發(fā)光體發(fā)光的多少，發(fā)光愈多流明數(shù)愈大。光光 強(qiáng)強(qiáng)I： 發(fā)光體在特定方向單位立體角內(nèi)所發(fā)射的光通量。單位：坎德拉(cd)。照照 度度E： 發(fā)光體照射在被照物體單位面積上的光通量。單位：勒克斯(Lux)= 流明Lm/面積m2。亮亮 度度L： 發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫(mcd)。光光 效：效： 電光源將電能轉(zhuǎn)化為光的能力，以發(fā)出的光通量除以耗電量來表示。單位：每瓦流明(Lm/W)。平均壽命：平均壽命： 指一批燈至50%的數(shù)量損壞時(shí)的小時(shí)數(shù)。單位：小時(shí)(h)。經(jīng)濟(jì)壽命：經(jīng)濟(jì)壽命： 在同時(shí)考慮燈泡的損壞以及光

20、束輸出衰減的狀況下，其綜合光束輸出減至特定的小時(shí)數(shù)。室外的光源為70%，室內(nèi)的光源為80%。色色 溫：溫： 光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。光源色溫不同，光色也不同，色溫在3000K以下有溫暖的感覺，達(dá)到穩(wěn)重的氣氛；色溫在3000K5000K為中間色溫，有爽快的感覺；色溫在5000K以上有冷的感覺。單位：K。顯色性：顯色性： 光源的顯色性是由顯色指數(shù)來表明，它表示物體在光下顏色比基準(zhǔn)光(太陽能)照明時(shí)顏色的偏離，能較全面反映光源的顏色特性。要正確表現(xiàn)物體本來的顏色，需使用顯色指數(shù)高的光源。單位：Ra。色表：色表： 是指人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色

21、。街道高壓鈉燈發(fā)出的光既亮且白，但當(dāng)看到被照射的人的面孔時(shí)顯表灰色，這說明高壓鈉燈的色表并不差，但顯色性不好。眩光：眩光： 視野內(nèi)有亮度極高的物體或強(qiáng)烈的亮度對比，則可以造成視覺不舒適稱為眩光，眩光是影響照明質(zhì)量的重要因素。燈具效率燈具效率: 燈具效率(光輸出系數(shù))是衡量燈具利用能量效率的重要標(biāo)準(zhǔn)，它是燈具輸出的光通量與燈具內(nèi)光源輸出的光通量之間的比例。燈具的配光或光強(qiáng)分布：燈具的配光或光強(qiáng)分布： 用曲線或表格表示燈具在空間各方向的光輸出強(qiáng)度分布值成為燈具的配光曲線或光分布曲線，它是表示燈具照明功能的重要特性參數(shù)。二、二、光色光色/色溫的應(yīng)用色溫的應(yīng)用第二部分、第二部分、LED照明市場分析照明

22、市場分析 LED照明市場目前的情況照明市場目前的情況 2005年，中國LED的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到262.1億只，市場規(guī)模更是突破百億元大關(guān)達(dá)到114.9億元。全球LED市場前景廣闊，吸引了諸多廠商參與LED新產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)，市場競爭日趨激烈。 而LED在照明行業(yè)里也一直保持升溫狀態(tài)。 LED在汽車行業(yè)的應(yīng)用蒸蒸日上，全彩顯示屏、計(jì)算機(jī)顯示屏已經(jīng)普遍采用液晶顯示，LED大量用在情侶mp3、顯示屏、手機(jī)、機(jī)箱外殼。 LED具有效率高、光線品質(zhì)好、省電、壽命長等特點(diǎn)，主要用于平面顯示領(lǐng)域、便攜式設(shè)備顯示器、照明以及紅外線LED領(lǐng)域等下游應(yīng)用產(chǎn)品市場。與傳統(tǒng)的光源相比，LED光源體積小、重量輕、方向性好并且

23、可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性，足以對傳統(tǒng)光源市場造成重大沖擊。隨著LED應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)大，LED的重要性已受到越來越多的注意。因而在全球市場上十分走俏。 現(xiàn)在，隨著各大媒體對LED的關(guān)注和人們更多的實(shí)際應(yīng)用，大家對它的了解不斷加深；同時(shí)LED產(chǎn)品的種類變得更加豐富，在各領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛，其市場前景一片廣闊。LED產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)鏈襯 底（、藍(lán)寶石、金屬；）外 延（發(fā)光材料）（芯片）光源 （封裝）燈具 （應(yīng)用）工程 （應(yīng)用）LED照明市場的需求、前景照明市場的需求、前景 LED應(yīng)用市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大 LED的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初簡單的電器指示燈、LED顯示屏發(fā)展到LCD背光源、景觀照明、室內(nèi)裝飾燈等其他領(lǐng)域。而由于LED具有的長壽命、無污染、低功耗的特性，未來LED還將逐步替代熒光燈、白熾燈成為下一代綠色照明光源。為此，美國、韓國、歐盟、中國臺灣都制定了適合各國國情的半導(dǎo)體照明計(jì)劃，大力推進(jìn)LED燈進(jìn)入普通照明燈具市場。 室內(nèi)照明將是室內(nèi)照明將