LED照明基礎(chǔ)知識培訓(xùn)教材

1、LED照明基本知識及應(yīng)用照明基本知識及應(yīng)用IDV國際電工國際電工目錄一、LED基本知識二、熱學(xué)基礎(chǔ)知識三、光學(xué)基礎(chǔ)知識四、LED驅(qū)動基礎(chǔ)知識LED LightEmittingDiode ：（半導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)LED的基本結(jié)構(gòu)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LED燈（LED Lamp） 食人魚LEd（P

2、iranha LED）貼片式2、按功率大小分小功率LED：額定工作電流If100mA（單芯片）大功率LED：大功率LED：額定工作電流If100mA（單芯片)PCB LEDTop View LEDSideViewLED3、按發(fā)光顏色分類單色光LED暖白光：Tc3000K冷白光：3700KTc4300K白光：Tc5700KRGWBCM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(fù)合模型能量導(dǎo)帶禁帶，EgP型載流子（空穴）N型載流子（電子）價帶 3.LED的發(fā)光原理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(dǎo)體，多數(shù)載

3、流子是空穴；N型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子是電子；P型區(qū)與N型區(qū)之間的PN結(jié)，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(jié)，在多量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，復(fù)合所產(chǎn)生的能量以光（有效復(fù)合）和熱（無效復(fù)合）的形式釋放，這就是LED發(fā)光的基本原理。電學(xué)模型If（電子）V（光子）Vf ： 300400500600700800（nm）紫外發(fā)光二極管發(fā)出的光的顏色由其中的化學(xué)物質(zhì)決定,制造LED的材料不同，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(dǎo)體材料的特性決定

4、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的白光生成原理光源種類光效（lm/W）顯色指數(shù)（Ra）色溫（K）平均壽命（h）白熾燈6-1210028001000鹵鎢燈2510030002000普通熒光燈7070全系列6000三基色熒光燈9380-98全系列10000節(jié)能燈6085全系列8000金屬鹵化物燈75-9565-923000-56008000高壓鈉燈80-1202323006000-12000低壓鈉燈120-20044175028000高頻無極燈50-7

5、0853000-400040000-80000LED(2010)100-18675-902500-800050000LED(2020)20080-1002500-80001000006.LED的優(yōu)點節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)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(yīng)用 1.常規(guī)系列2.感應(yīng)系列1、1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實驗室開發(fā)出GaAsP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，

6、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(xué)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(xué)基礎(chǔ)知識1、為什么要做熱學(xué)設(shè)計由于受整個LED產(chǎn)業(yè)鏈的各種技術(shù)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

7、傳導(dǎo)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(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。2、結(jié)溫對LED的影響1) 發(fā)光強度降低，隨著芯片結(jié)溫的增加，芯片的發(fā)光效率效率也 會隨之減少，芯片結(jié)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(jié)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LUMI

8、LEDS生產(chǎn)的LUXEON K2系列產(chǎn)品結(jié)溫與壽命的關(guān)系LED結(jié)溫與壽命關(guān)系曲線3、散熱方式(1). 按熱的傳導(dǎo)方式有三種：對流、傳導(dǎo)、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和強制對流。傳導(dǎo)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(dǎo)的。傳導(dǎo)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

9、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(fēng)扇等散熱設(shè)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(shè)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(dān)心有風(fēng)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(dǎo)系數(shù) ：銀: 429W/mk銅 :401W/mk金: 317W/mk鋁 :237W/mk1070型鋁合金 :226W/mk1050型鋁合金 :209W/mk6061型鋁合金

10、 :155W/mk6063型鋁合金 : 201W/mk從以上數(shù)值可以看出銀和銅是最好的導(dǎo)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(fù)雜，價格較貴,所以現(xiàn)在通常的風(fēng)扇多采用較輕的鋁制成5、其它常見的散熱技術(shù)散熱片散熱熱管散熱均熱板散熱半導(dǎo)體制冷風(fēng)扇散熱水冷散熱散熱片與鋁基板之間傳熱主要通過傳導(dǎo)途徑，主要通過散熱片與鋁基板之間的直接接觸實現(xiàn)。導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱硅脂（導(dǎo)熱、粘接、密封）特點和用途：良

11、好的熱傳導(dǎo)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(xué)腐蝕、耐熱。戶外運用可免除紫外光、臭氧、水分和化學(xué)品的不良影響。廣泛用于電子、電器等行業(yè)的彈性粘接、導(dǎo)熱及密封。導(dǎo)熱硅膠片2.導(dǎo)熱硅膠片特點和用途：良好的熱傳導(dǎo)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(xué)基礎(chǔ)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

12、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-780nmLED光譜圖各種顏色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(yīng)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(cè)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(yīng)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

13、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)出多個峰值波長，而主波長只有一個，它會隨著LED長期工作，結(jié)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(xué)術(shù)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

14、) cd3.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(guān)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(yīng)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。

15、對比過大，光源較近值。光源效率（lm/w）=流明（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

16、越大.顯色指數(shù)分組平均顯色評價數(shù)值Ra適用范圍舉例Ra90色檢查、臨床檢查、美術(shù)館90 Ra 80住宅、飯店、商店、醫(yī)院、學(xué)校，精密加工寫字樓，印刷廠紡織廠等80 Ra 60一般作業(yè)場所60 Ra 40粗加工工廠40 Ra 20貯藏室等變色要求不高的場所顯色指數(shù)分類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 5700K3700-4300K3000K氣氛效果光色色溫應(yīng)用場所舉例RRRLRD常用字母低色溫的是暖色，高色溫的是冷色不同色溫的應(yīng)用場

17、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 K5000 K2000 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(xué)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(yīng)的色溫。Thank

18、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(yīng)視見函數(shù)大腦心理效應(yīng)光潔度能源管理光譜特性生物效應(yīng)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(gòu)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

19、線與光斑對應(yīng)圖四、LED驅(qū)動基礎(chǔ)知識（一）、驅(qū)動電源的概念1.什么是LED驅(qū)動LED驅(qū)動電源是把電源供應(yīng)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：

20、反向擊穿區(qū) LED的反向電壓一般不要超過10V，最大不得超過15V，否則就會出現(xiàn)反向擊穿，導(dǎo)致LED報廢。LED伏安特性曲線3.LED的伏安特性O(shè)A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.LE

21、D照明驅(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 NI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(yīng)相應(yīng)變化。d、串聯(lián)/并聯(lián)組合的形式會使輸

22、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=12V24V：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=1.944WC 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（每路電流）*9路*12V=1.944W注：如果是高壓輸入的話，

23、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(jié)構(gòu)，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：

24、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)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

25、。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(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會侵入各種浪涌，有些浪涌會導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(xué)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，涉及電磁現(xiàn)象的不同設(shè)備都能夠正常運轉(zhuǎn)，而且不對此環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生難以忍受的電磁干擾之能力（四）、雷達感應(yīng)驅(qū)動電源雷達感應(yīng)驅(qū)動電源雷達感應(yīng)驅(qū)動電源雷達感應(yīng)驅(qū)動電源工作原理：工作原理：根據(jù)多普勒效應(yīng)為礎(chǔ)，根據(jù)多普勒效應(yīng)為礎(chǔ)，采用最先進的平面天線，可有效抑制高次諧波和其他采用最先