LED照明基础知识培训教材

ACA德豪光电LED灯具基础知识培训教材2011-08-111广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.目录一、LED基本知识二、热学基础知识三、光学基础知识四、LED驱动电源知识广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.LED—LightEmittingDiode：（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。广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.一、LED基本知识（一）、什么是LED？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封装广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.（二）、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1、按安装方式分⑴直插式LED灯（LEDLamp）食人鱼LEd（PiranhaLED）⑵贴片式2、按功率大小分⑴小功率LED：额定工作电流If≤100mA（单芯片）⑵大功率LED：大功率LED：额定工作电流If≥100mA（单芯片)PCBLEDTopViewLEDSideViewLED广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.（三）、LED的基本类型3、按发光颜色分⑴单色光LED广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.暖白光：Tc≤3500K正白光：3500K＜Tc≤5700K冷白光：Tc＞5700KRGWBCM广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.⑵双色LED：任意两种单色光的组合⑶全彩LED：红绿蓝（RGB）三原色的组合⑷白光LEDY⑶芯片集成COB模组4、按芯片组合数量分⑴单芯LED⑵多芯LED广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.能级跃迁—复合模型能量导带禁带，EgP型载流子（空穴）N型载流子（电子）价带广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.（四）、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：①P型半导体，多数载流子是空穴；②N型半导体，多数载流子是电子；③P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。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）ΦV（光子）Vf广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.λ：300400500600700800（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广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.4、半导体材料的特性决定着LED的光电参数：(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荧光粉白光广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.5.LED的白光生成原理光源种类光效（lm/W）显色指数（Ra）色温（K）平均寿命（h）白炽灯6-1210028001000卤钨灯2510030002000普通荧光灯7070全系列6000三基色荧光灯9380-98全系列10000节能灯6085全系列8000金属卤化物灯75-9565-923000-56008000高压钠灯80-1202323006000-12000低压钠灯120-200－44175028000高频无极灯50-70853000-400040000-80000LED(2010)100-18675-902500-800050000LED(2020)20080-1002500-8000100000（五）、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广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.白炽灯卤钨灯荧光灯高压钠灯三基色荧光灯金卤灯节能灯无极灯广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.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AlGaAsLED；5、1990年，HP公司开发出AlInGaPLED；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。广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.（六）、LED的发展历史lm/W发光效率（）广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.荧光灯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。广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.LED相对光输出随结温的变化曲线(a)是CREE公司生产的X．Lamps系列产品(b)是LUMILEDS公司生产的LUXEONK2系列产品广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.LUMILEDS生产的LUXEONK2系列产品结温与寿命的关系LED结温与寿命关系曲线广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.3、散热方式(1).按热的传导方式有三种：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。广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.(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。广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.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/mk1070型铝合金:226W/mk1050型铝合金:209W/mk6061型铝合金:155W/mk6063型铝合金: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．广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.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广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.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）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广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.7、LED灯具热设计的优化措施1.降低芯片的热阻2.优化热通道（1）通道结构长度（L）越短越好；面积（S）越大越好；环节越少越好；消除通道上的热传导瓶颈（2）通道材料——导热系数λ越大越好;（3）改良封装工艺，令通道环节间的界面接触更紧密可靠。3.强化电通道的导/散热功能4.选用导/散热性能更高的出光通道材料广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.8、热分析中常用到的软件在对产品进行方案评审阶段，灯具中的热设计可以用一些热仿真分析软件来预估此方案的可行性，特别是针对现有LED光源的灯具。业界对热分析软件的应用主要有以下几种:Flohterm、Icepak、EFD、CFDesign广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.EFD软件模拟筒灯结果广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.EFD软件模拟PAR灯结果广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.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；电磁辐射谱广东德豪润达电气股份有限公司ELECTECHINTERNATIONALCO.,LTD.能够引起人眼视觉部分380nm-780nmLED光谱图各种颜色光谱分布