LED基礎知識講義

1、 LED 基礎知識講義基礎知識講義 LED照明設計基礎照明設計基礎一一: Led : Led 基礎知識簡介基礎知識簡介1. 1. 定義、結構及分類定義、結構及分類2. Led2. Led主要制作工藝及廠商簡介主要制作工藝及廠商簡介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燈具設計基礎知識燈具設計基礎知識1. LED1. LED及驅動電源的選擇及驅動電源的選擇2. 2. 散熱設計散熱設計3. 3. 光學設計光學設計定義定義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，其基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用。它的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片；在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。 注入式電致發(fā)光原理注入式電致發(fā)光原理 在PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關 。結構結構 結構結構 發(fā)光二極管主要由PN結芯片、電極引腳和光

3、學系統(tǒng)組成。 普通插件式LED結構圖結構結構大功率貼片式LED結構圖分類分類按光顏色分成紅色、橙色、綠色(又細分黃綠、標準綠和純綠)、藍光等。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。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)光強度角分布來分有三類：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)標準型。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廠商簡介廠商簡介主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性1.電學特性1.1 I-V特性特性 PN結伏安特性，表征LED芯片pn結制備性能主要參數(shù)。不同的電流直接

5、影響led的發(fā)光亮度和PN結的結溫. LED的I-V特性具有非線性、整流性質：單向導電性，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（正向測試電流），在規(guī)定的正向電壓VF下，通過極間的電流 ，不同LED因材料不同有不同的IF。 VF-LED正向導通時所需電壓，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 電壓對應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 的點亮時間上升時間tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的90%所經(jīng)歷的時間。LED 熄滅時間下降時間tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時間。不同材料制得的LED 響應時間各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs 其響應時間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 響應時間響應時間 表征LED跟蹤外部信息變化的快慢。從使用角度來看，就是LED點亮與熄滅所延遲的時間 主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性）光束角（beam

7、angle )：在通過最大光強半平面上，兩條最大光強方向之間的夾角稱為該平面的光束角）光束擴散角 (field angle )：在包含最大光強的某個平面上，兩條為最大光強的光線之間的夾角稱為該平面的光束擴散角（或稱有效光束角）在引出雜散光線的時候，出現(xiàn)了這個光束角以及最大光強的概念 兩者的區(qū)別： LED光學特性光學特性 2.1 光強與光束角（發(fā)光角光強與光束角（發(fā)光角）光強光強 表征LED發(fā)光強弱的重要性能 光束角光束角 描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布。 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，它標志器件的性能優(yōu)劣。F為LED 向各個方向發(fā)光的

8、能量之和，可見光LED 的光通量單位為流明（lm）,它與工作電流的關系如下。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）,是評價電光源用電效率最主要的技術參數(shù),它與工作電流的關系如下。主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性同一型號的同一型號的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 來分類區(qū)分，以下是一典型的光通量來分類區(qū)分，以下是一典型的光通量BIN 分類：分類： 注：注： 對小功率對小功率LED可能會用光強來分可能會用光強來分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)光強度或光功率輸出隨著波長變化而不同，繪成一條分布曲線光譜分布曲線。當此曲線確定之后，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數(shù)亦隨之而定。它與制備所用化合物半導體種類、性質及PN結結構（外延層厚度、摻雜雜質）等有關，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關;以下是不同化合物半導體及摻雜制得LED 光譜分布曲線 。 峰值波長：相對光強度最強（光輸出最大）處對應的波長，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。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：LED 發(fā)出的有多個峰值的非單色光中，人眼所能觀察到的，主要單色光的波長，結溫升高而主波長偏向長波 。主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.5 色品坐標、色溫與顯色性色品坐標、色溫與顯色性 色品坐標用來準確地表達光源的表觀顏色.但具體的數(shù)值很難與習慣的光色感覺聯(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”,因此用色溫來表示光源的光色會更加直觀。 2.5.1 色溫與色品坐標的關系式近似如下： 其關系曲線如右色品圖，由此可見，不要的色品坐標可能會有同樣的色溫 ，所以能唯一決定顏色的參數(shù)是色品坐標，色溫只

11、能參考。一般，LED封裝廠都會按色品坐標不同用不同的Bin來區(qū)分白光的顏色。以下一典型的Bin分布圖。大功率LED供應商一般會要求四個Bin同時購買，如數(shù)量較少時可以考慮與供應商溝通買單個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。越接近自然光譜(或者說是標準光譜)，顯色指數(shù)越高。要改善，那就要添加原來缺少的光譜。色溫是專門用來量度光線的顏色成分的，色溫只是用來表示顏色的視覺印象。因此：顯色性與色溫間沒有必然聯(lián)系,不同的色溫可以

12、做到相同的顯色指數(shù),或者說,相同的顯色指數(shù),可以做成不同色溫的光源 。2.5.2 色溫與顯色性的關系另外，色品坐標會隨正向電流的變化而變化，即光的顏色會隨正向電流的變化而變化；關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 是評價led產品可用周期的質量指標,通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應用中,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)定百分比時所持續(xù)的時間. 1)平均壽命一批led同時點亮,當經(jīng)過一段時間后,led不亮達到50%時所用的時間.2)經(jīng)濟壽命在同時考慮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的小時數(shù).此比例用于室外光源為70

13、%,用于室內光源為80%. 在評價LED壽命時，必須留意此壽命對應的結溫值主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7 熱學特性熱學特性 LED的主要熱學參數(shù)有結溫結溫（Tj）和熱阻熱阻（Rth）有很大的關系。 LED的許多特性參數(shù)與結溫有很大的關系 ，具體如下：2.7.1 LED的主波長隨溫度關系的主波長隨溫度關系 可表示為：由上式可知，每當結溫升高10，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。 2.7.2 LED結溫與壽命的關系結溫與壽命的關系主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7.3 LED結溫與電流的關系結溫與電流的關系 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結溫與色品坐標的關系結溫與色品坐標的關系 如右上圖主要參數(shù)及特性主要參數(shù)及特性2.7.5 LED結溫與正向電壓和光通量的關系結溫與正向電壓和光通量的關系 如下圖LED與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇1. 1 Led光源的選擇光源的選擇 可以按以下步驟進行分析客戶對光的需求發(fā)光角度某一高度下光斑及照度大小以下舉一例說明這個過程估算所需光通量根據(jù)客戶對光的需求理論分析估算出所需光通量；如客戶無明顯對光的需求，則類比傳統(tǒng)光源得出所需光通量初步選定LED必須結合客戶對LED專利的要求、對色溫、顯色性、光效以及壽命等要求來最終選型測試驗證LED通過測試驗證選擇LED

15、是否滿足客戶需求，如未達客人要求，需分析后再調整選擇方案1.1.1 分析客戶的光需求分析客戶的光需求 以下是客人對一款LED臺燈的要求，分析相關需求并預估燈具光通量參數(shù);如客戶無相關需求，就通過和類似傳統(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與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇LED與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇LED與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇LED與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇LED與驅動電源的選擇與驅動電源的選擇散熱設計散熱設計圖 1基板LED圖圖2 一維熱傳導模型熱傳導熱傳導散熱設計散熱設計好的熱傳導：好的熱傳導：選擇導熱系數(shù)高、熱阻低的導熱材料

16、,常見材料導熱系數(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構, 常見散熱器和散熱設計方法介紹如下附件,同時可一用Icepak, Qled等進行熱模擬分析.散熱設計散熱設計熱對流熱對流 合理的散熱器結構來保證熱發(fā)熱區(qū)與外部環(huán)境間有足夠的空氣流通, 必要時可用風扇強制對流散熱。光學設計光學設計 大功率LED照明在成為照明產品前，一般要進行兩次光學設計。把LED IC封裝成LED光電零組件時，要先進行一次光學設計，以解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分布、色溫的范圍與分布。這就是所謂的一次光學設計。二次光學設計是針對大功率L

17、ED照明來說：一般大功率LED都有一次透鏡，發(fā)光角度為120度左右。二次光學就是將經(jīng)過一次透鏡后的光再通過一個光學透鏡改變它的光學性能。簡單地說，一次光學設計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光。二次光學設計的目的則是讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設計需求。對于LED的二次光學處理不外乎如下幾種： 1、反光杯（優(yōu)點：理論上出光效率高，假如反光層鍍的好的話； 缺點：光斑的控制很難，主要是反光杯對形狀和焦點位置非常敏感、 而且常常受到鬼像的干擾。 2、透鏡（優(yōu)點：處理模式多樣化、光斑均勻性的問題可以比較好的解決； 缺點：效率相對不高） 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） 一般來說：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，反光杯會比透鏡笨拙很多。光學設計光學設計 3.1 反光杯設計 1. 材質選擇-反射率高的材料；采用高純度鋁材，或其他材質表面鍍金屬覆膜或者其他高反射率的復合材料，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-利用軟件模擬設計，如: Photopia光學設計光學設計3.2 透鏡設計3.2.1 LED透鏡的材料種類：1硅膠透鏡；a. 因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊

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. 光學級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質量更高）。 b . 塑膠類材料，優(yōu)點：生產效率高（可以通過注塑完成）；透光率高（3mm厚度 時穿透率93%左右）；缺點：耐溫70%（熱變形溫度90度）；3PC透鏡a. 光學級Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯b. 塑膠類材料，優(yōu)點：生產效率高（可以通過注塑完成）；耐溫高（130度以上）； 缺點：透光率稍底（87%）；4 玻璃透鏡光學玻璃材料，具有透光率高（97%）耐溫

20、高等特點，缺點：易碎、非球面精度不易實現(xiàn)、生產效率低、成本高等。光學設計光學設計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LED光線經(jīng)過透鏡的一個曲面（雙凸有個曲面）時光線會反生折射而聚光，而 且當調整透鏡與LED之間的距離時角度也會變化（成反比），經(jīng)過非球面技術設 計的曲面光斑將會非常均勻，但因為透鏡直徑的局限性，透鏡側面的光線得不到 利用（漏光）；b一般應用在大角度（40-80度）聚光，如臺燈，路燈，室內燈具等；2 全反射式（錐型或叫杯型）全反射式（錐型或叫杯型）a, 透鏡的設計在正前方用穿透式聚光，而錐形面又可以將側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，可設計成鏡面、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. 是將多個單顆透鏡通過注塑