LED照明基礎(chǔ)知識培訓(xùn)

1、2022-6-171LED照明基礎(chǔ)2022-6-172LED照明基礎(chǔ)內(nèi)容簡介 LED的發(fā)展史 LED的現(xiàn)況 LED的特性 LED在產(chǎn)品設(shè)計(jì) 2022-6-173什么是LEDLED的全稱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、橙、紫、白色的光。 2022-6-174照明發(fā)展史2022-6-175LED的發(fā)展史1907年Henry Joseph Round第一次觀察到場致發(fā)光現(xiàn)象。1936年George Destiau

2、第一場使用場致發(fā)光這個(gè)術(shù)語。60年代初，試驗(yàn)中，LED需要置放在液化氮中第一個(gè)商業(yè)LED僅僅只能發(fā)出不可見的紅外線，但是迅速應(yīng)用于感光與光電領(lǐng)域。60年代末，在砷化鎵基體上使用磷化物發(fā)明了第一個(gè)可見的紅光LED70年代中，采用雙層磷化稼能夠發(fā)出黃色光。70年代末，LED出現(xiàn)綠色光。90年代中，LED最終出現(xiàn)藍(lán)色光。90年代末白光的LED開發(fā)成功 目前LED已經(jīng)可以發(fā)出紫外光。除此以外，LED的光通量也在與日俱增，最新的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)是186lm/W2022-6-176LED發(fā)展計(jì)劃2022-6-177LED發(fā)展計(jì)劃美國LED行業(yè)的預(yù)測2022-6-178LED發(fā)展計(jì)劃世界各國政府LED發(fā)展計(jì)劃20

3、22-6-179LED優(yōu)點(diǎn)高光效 高節(jié)能光源方向性好 光色多 安全性高 環(huán)保壽命長 光源快速響應(yīng) 燈具結(jié)構(gòu)合理 運(yùn)行成本低 2022-6-1710LED優(yōu)點(diǎn)2022-6-1711LED同幾種光源的比較名稱名稱 耗電量耗電量（W W） 工作電壓工作電壓 （v v） 協(xié)調(diào)控制協(xié)調(diào)控制 發(fā)熱量發(fā)熱量 可靠性可靠性 使用壽命使用壽命 （h h） 金屬鹵素?zé)艚饘冫u素?zé)?100 100 220 220 不易不易 極高極高 低低 3000 3000 霓虹燈霓虹燈 500 500 較高較高 高高 高高 宜室內(nèi)宜室內(nèi) 3000 3000 鎂氖燈鎂氖燈 16W/m 16W/m 220 220 較好較好 較高較高

4、較好較好 6000 6000 日光燈日光燈 4-100 4-100 220 220 不易不易 較高較高 低低 5000-8000 5000-8000 冷陰極冷陰極 15W/m 15W/m 需逆變需逆變 較好較好 較低較低 較好較好 10000 10000 鎢絲燈鎢絲燈 15-200 15-200 220 220 不宜不宜 高高 低低 3000 3000 節(jié)能燈節(jié)能燈 3-150 3-150 220 220 不宜調(diào)光不宜調(diào)光 低低 低低 5000 5000 LEDLED燈燈 極低極低 直流直流12-36V 12-36V 多種形式多種形式 極低極低 極高極高 100000100000LED光源在性

5、能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光源！2022-6-1712LED同幾種光源的比較2022-6-1713LED分類LED按照發(fā)光顏色分類紅光橙光綠光藍(lán)光白光紅光 橙光 綠光 藍(lán)光 統(tǒng)稱為色光，主要應(yīng)用在指示或裝飾方面白光又可細(xì)分為暖白 中性白 冷白。白光是我們照明行業(yè)主要用到的光源。2022-6-17142022-6-1715白光LED產(chǎn)生-單芯片 InGaN(藍(lán))/YAG熒光粉 這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用芯片倒裝結(jié)構(gòu),提高發(fā)光效率和散熱效果。熒光粉涂覆工藝的改進(jìn),可將色均勻性提高10倍。實(shí)驗(yàn)證明,電流和溫度的增加使LED光譜有些藍(lán)移和紅移,但對熒光光譜影響并不大。壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較好 。 In

6、GaN(藍(lán))/紅熒光粉+綠熒光粉 色溫可達(dá)到3000K-6000K, Ra達(dá)到82-87, 。 InGaN(紫外)/(紅+綠+藍(lán))熒光粉 此類白光LED,其Ra大于等于90, 但發(fā)光效率還不夠理想2022-6-1716白光LED產(chǎn)生-單芯片2022-6-1717白光LED產(chǎn)生-單芯片2022-6-1718白光LED產(chǎn)生-雙芯片雙芯片可由藍(lán) LED+黃LED、藍(lán)LED+黃綠LED以及藍(lán)綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用。2022-6-1719白光LED產(chǎn)生-多芯片(藍(lán)色+綠色+紅色)LED 這種通過RGB方法

7、合成白光這種方法主要的問題是綠光的轉(zhuǎn)換效率底，所以總體的效率不高。同時(shí)三種顏色的LED的正向電壓和光輸出不同，兩外它們的溫度特性和光維持特性也不相同，因而對電路的要求也比較高。 2022-6-1720白光LED產(chǎn)生-多芯片2022-6-1721LED常用詞匯總結(jié) 1.光通量光通量：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。 2.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）。 3.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。 4.亮亮 度度L：發(fā)光體在特定方

8、向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫（mcd）。 5.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）。 6.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）。2022-6-1722LED常用詞匯總結(jié) 7.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%。 8.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

9、3000k-5000k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。 9.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。 10.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。2022-6-1723LED特性LED的電學(xué)特性LED的光學(xué)特性LED的熱特性 2022-6-1724LED電特性 LED是一個(gè)由半導(dǎo)體無機(jī)材料構(gòu)成的單極性PN結(jié)二極管，它是半導(dǎo)體PN結(jié)二極管中的一

10、種，其電壓-電流之間的關(guān)系稱為伏安特性伏安特性。 LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓流和反向電壓，LED必須在合適的電流電壓驅(qū)動下才能正常工作。 通過LED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、電流，此外也可以測定LED的最佳工作電功率。 2022-6-1725LED電特性 I-V特性特性是LED芯片性能主要參數(shù)。 I-V特性特性具有非線性、整流性質(zhì)：單向?qū)щ娦裕赐饧诱珘?表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。 （1）正向死區(qū)（2）正向工作區(qū)（3）反向死區(qū) 。（4）反向擊穿區(qū)正向死區(qū)圖I-V 特性曲線反向死區(qū)擊穿區(qū)I

11、R IV R0IF工作區(qū)V FV2022-6-1726LED電特性C-V特性特性 LED的芯片pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容也不一C-V特性特性 呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系是電容與電壓的關(guān)系最大允許功耗最大允許功耗PF m響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 是LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。LED點(diǎn)亮?xí)r間指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的10%開始，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)間指正常發(fā)光減弱至原來的10%所經(jīng)歷的時(shí)間。不同材料制得的LED響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間各不相同2022-6-1727LED光特性發(fā)光強(qiáng)度 是表征發(fā)光器件發(fā)光強(qiáng)弱的重

12、要性能。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為90。當(dāng)偏離正法向不同角度，光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。發(fā)光強(qiáng)度的角分布是描述LED發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布。它主要取決于封裝的工藝，透鏡的材料，透鏡的曲率，芯片周圍的反光杯。2022-6-1728LED光特性圖2 指向性弱（21/2大）2022-6-1729LED光特性發(fā)光峰值波長及其光譜分布發(fā)光峰值波長及其光譜分布 LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等。單色LED的光譜為單一波峰，特性以峰值波長和帶寬表示

13、，而白光LED的光譜由多種單色光譜合成。LED的光譜特性都可由光譜功率分布表示，而由LED的光譜功率分布還可計(jì)算得到色度參數(shù)。 LED發(fā)光強(qiáng)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(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度學(xué)參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布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、封裝方式無關(guān)。2022-6-1730LED光特性發(fā)光峰值波長及其光譜分布發(fā)光峰值波長及其光譜分布如圖1藍(lán)光InGaN/GaN 發(fā)光譜峰p = 460465nm2 綠光 GaP:N 發(fā)光譜峰p = 550nm3 紅光

14、GaP:Zn-O 發(fā)光譜峰p = 680700nm4 紅外GaAs 發(fā)光譜峰p = 910nm5 Si光敏光電管 通常作光電接收用6 標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈人眼感光2022-6-1731LED光特性峰值波長峰值波長：無論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對應(yīng)有一個(gè)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。主波長主波長：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長；甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此描述

15、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(gè)峰值波長，而主波長只有一個(gè)，它會隨著LED長期工作，結(jié)溫升高而主波長偏向長波。2022-6-1732LED的光學(xué)特性的光學(xué)特性中心波長中心波長 峰值波長峰值波長 質(zhì)心波長質(zhì)心波長2022-6-1733LED光特性光通量光通量是表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。光通量光通量為LED向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明（lm）。LED向外輻射的功率光通量與芯片材料、封

16、裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。2022-6-1734總光通量的測量積分球法 積分球法積分球法使用積分球?qū)⑹故褂梅e分球?qū)⑹筁ED總總通量的測量更加簡單。通量的測量更加簡單。帶有兩個(gè)入射孔和一個(gè)帶有兩個(gè)入射孔和一個(gè)于探測器的出射孔于探測器的出射孔 的積的積分分測量可對待測測量可對待測LED的自吸的自吸進(jìn)行修正。進(jìn)行修正。2022-6-17352022-6-1736LED光特性 發(fā)光效率發(fā)光效率 LED效率有兩種 內(nèi)部效率內(nèi)部效率：pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能的效率。內(nèi)部效率只用來分析和評價(jià)芯片優(yōu)劣的特性 外部效率外部效率：輻射到外部的效率。 發(fā)光效率發(fā)光效率：輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比量

17、子效率 =發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù) 流明效率流明效率：LED的光通量/外加耗電功率 流明效率是評價(jià)具有外封裝流明效率是評價(jià)具有外封裝LED特性特性，LED的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。 理論計(jì)算中，最大的流明下來率為628lm/W。同此相比，LED未來的發(fā)展前景很廣闊。2022-6-1737LED光特性幾種常見色光的效率對比幾種常見色光的效率對比LEDp材料可見光發(fā)光效率（lm/w）外量子效率發(fā)光顏色（nm）最高值平均值紅光700GaP:Zn-O2.41213660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590Ga

18、P:N-N0.450.1綠光555GaP:N4.20.70.0150.15藍(lán)光465GaN10白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6大芯片182022-6-1738LED光特性品質(zhì)優(yōu)良的LED要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高 .LED向外發(fā)光僅是內(nèi)部發(fā)光的一部分，總的發(fā)光效率總的發(fā)光效率應(yīng)為=ice ， i向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率 c為在勢壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率 e為外部出光（光取出效率）效率。2022-6-1739LED光特性由于LED材料折射率很高i3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）

19、2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。2022-6-1740LED光特性如何提高外部出光效率e？ 1.用折射率較高的透明材料覆蓋在芯片表面 2.把芯片晶體表面加工成半球形 3.用Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯底以減少晶體內(nèi)光吸收。有人曾經(jīng)用n=2.42.6的低熔點(diǎn)玻璃成分As-S(Se)-Br(I)且熱塑性大的作封帽，可使紅外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高46倍。2022-6-1741LED光特性發(fā)光亮度發(fā)光亮度亮度是LED發(fā)光性能又一重要參數(shù)，具有很強(qiáng)方向性。其正法線方向的亮度，指定某方向上發(fā)光體表面亮度等于發(fā)光體表面上

20、單位投射面積在單位立體角內(nèi)所輻射的光通量，單位為cd/m2 或Nit。LED亮度與外加電流密度有關(guān)，電流密度增加發(fā)光亮度也近似增大。LED亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，復(fù)合效率下降，發(fā)光亮度減小。當(dāng)環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起pn結(jié)結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)。2022-6-1742LED光特性老化：LED發(fā)光亮度隨著長時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)。外加恒流源越大老化越快。壽命：通常把亮度降到初始亮度一般所經(jīng)歷的時(shí)間稱為二極管的壽命。測量方法：給LED通以一定恒流源，點(diǎn)燃103 104 小時(shí)后，先后測得BO ，Bt=100010000，代入

21、Bt=BO e-t/求出；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。長期以來總認(rèn)為LED壽命為106小時(shí)，這是指單個(gè)LED在e=20mA下。隨著功率型LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。如LED的光衰減為原來35%，壽命6000h。2022-6-1743LED熱學(xué)特性LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。一般工作在小電流IF10mA，或者1020 mA長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或p 就會向長波長漂移，BO也會下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響應(yīng)專門設(shè)計(jì)散射通風(fēng)裝置。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為

22、p（ T）=0（T0）+Tg0.1nm/由式可知，每當(dāng)結(jié)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。這對于作為照明用的燈具光源要求小型化、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng)、光亮度的設(shè)計(jì)尤其應(yīng)注意用散熱好的燈具外殼或?qū)ｉT通用設(shè)備、確保LED長期工作。2022-6-1744LED熱學(xué)特性LED測量的環(huán)境溫度一般為Tamb25oC。 隨著溫度的增加，LED波長的中心會發(fā)生藍(lán)移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強(qiáng)將會減小2022-6-1745LED熱學(xué)特性2022-6-1746LED熱學(xué)特性2022-6-1747LED熱學(xué)特性2022-6-1748LED熱學(xué)特性LED散熱結(jié)構(gòu)散熱結(jié)構(gòu)2022-6-1749LED應(yīng)用 照明應(yīng)用