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LED 照明基础

LED 照明基础. LED 照明基础. 内容简介 LED 的发展史 LED 的现况 LED 的特性 LED 在产品设计 . 什么是 LED. LED 的全称 Light Emitting Diode, 即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 LED 可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 . 照明发展史. LED 的发展史. 1907 年 Henry Joseph Round 第一次观察到场致发光现象。

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Presentation Transcript

  1. LED照明基础

  2. LED照明基础 • 内容简介 LED的发展史 LED的现况 LED的特性 LED在产品设计

  3. 什么是LED • LED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

  4. 照明发展史

  5. LED的发展史 • 1907年Henry Joseph Round第一次观察到场致发光现象。 • 1936年George Destiau第一场使用场致发光这个术语。 • 60年代初，试验中，LED需要置放在液化氮中 • 第一个商业LED仅仅只能发出不可见的红外线，但是迅速应用于感光与光电领域。 • 60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED • 70年代中，采用双层磷化稼能够发出黄色光。 • 70年代末，LED出现绿色光。 • 90年代中，LED最终出现蓝色光。 • 90年代末白光的LED开发成功 • 目前LED已经可以发出紫外光。 • 除此以外，LED的光通量也在与日俱增，最新的实验室数据是186lm/W

  6. LED发展计划

  7. LED发展计划 美国LED行业的预测

  8. LED发展计划 世界各国政府LED发展计划

  9. LED优点 • 高光效 高节能 • 光源方向性好 • 光色多 • 安全性高 环保 • 寿命长 • 光源快速响应 • 灯具结构合理 • 运行成本低

  10. LED优点

  11. LED同几种光源的比较 LED光源在性能方面远远优于其他光源！！！

  12. LED同几种光源的比较

  13. LED分类 • LED按照发光颜色分类 • 红光 • 橙光 • 绿光 • 蓝光 • 白光 红光 橙光 绿光 蓝光 统称为色光，主要应用在指示或装饰方面 白光又可细分为暖白 中性白 冷白。 白光是我们照明行业主要用到的光源。

  14. 白光LED产生----单芯片 • InGaN(蓝)/YAG荧光粉 这是一种目前较为成熟的产品。这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍。实验证明,电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好 。 • InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉 色温可达到3000K-6000K, Ra达到82-87, 。 • InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉 此类白光LED,其Ra大于等于90, 但发光效率还不够理想

  15. 白光LED产生----单芯片

  16. 白光LED产生----单芯片

  17. 白光LED产生----双芯片 • 双芯片可由蓝 LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成,此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能在显色性要求不高的场合使用。

  18. 白光LED产生----多芯片 • (蓝色+绿色+红色)LED 这种通过RGB方法合成白光这种方法主要的问题是绿光的转换效率底，所以总体的效率不高。同时三种颜色的LED的正向电压和光输出不同，两外它们的温度特性和光维持特性也不相同，因而对电路的要求也比较高。

  19. 白光LED产生----多芯片

  20. LED常用词汇总结 • 1.光通量φ：发光体每秒钟所发出的光量的总和。单位：流明（Lm），表示发光体发光的多少，发光愈多流明数愈大。 • 2.光 强I：发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。单位：坎德拉（cd）。 • 3.照 度E：发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。单位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面积m2。 • 4.亮 度L：发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量。单位：尼脱（mcd）。 • 5.光 效：电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。单位：每瓦流明（Lm/w）。 • 6.平均寿命：指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。单位：小时（h）。

  21. LED常用词汇总结 • 7.经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。室外的光源为70%，室内的光源为80%。 • 8.色 温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。单位：K。 • 9.显色性：光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。单位：Ra。 • 10.眩光：视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。

  22. LED特性 • LED的电学特性 • LED的光学特性 • LED的热特性

  23. LED电特性 • LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。 • LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。 • 通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。

  24. LED电特性 • I-V特性是LED芯片性能主要参数。 • I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压 表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 • （1）正向死区 • （2）正向工作区 • （3）反向死区 。 • （4）反向击穿区

  25. LED电特性 • C-V特性LED的芯片pn结面积大小不一，使其结电容也不一 • C-V特性 呈现二次函数关系是电容与电压的关系 • 最大允许功耗PF m • 响应时间 是LED点亮与熄灭所延迟的时间。 • 响应时间 主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 • LED点亮时间——指接通电源使发光亮度达到正常的10%开始，一直到发光亮度达到正常值的90%所经历的时间。 • LED 熄灭时间——指正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。 • 不同材料制得的LED响应时间各不相同

  26. LED光特性 • 发光强度 是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。 • 发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。 • 发光强度的角分布θ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺，透镜的材料，透镜的曲率，芯片周围的反光杯。

  27. LED光特性

  28. LED光特性 • 发光峰值波长及其光谱分布 • LED的光谱特性参数主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。单色LED的光谱为单一波峰，特性以峰值波长和带宽表示，而白光LED的光谱由多种单色光谱合成。 • LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示，而由LED的光谱功率分布还可计算得到色度参数。 • LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线——光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 • LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。

  29. LED光特性 • 发光峰值波长及其光谱分布 • 如图 • 1蓝光InGaN/GaN 发光谱峰λp = 460～465nm • 2 绿光 GaP:N 发光谱峰λp = 550nm • 3 红光 GaP:Zn-O 发光谱峰λp = 680～700nm • 4 红外GaAs 发光谱峰λp = 910nm • 5 Si光敏光电管 通常作光电接收用 • 6 标准钨丝灯

  30. LED光特性 • 峰值波长：无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用λp表示。只有单色光才有λp波长。 • 谱线宽度：在LED谱线的峰值两侧±△λ处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应λp-△λ，λp+△λ之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。 • 主波长：有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长；甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则λp也就是主波长。如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向长波。

  31. LED的光学特性——中心波长 峰值波长 质心波长

  32. LED光特性 • 光通量是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。 • 光通量为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。 • 随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明（lm）。 • LED向外辐射的功率——光通量与芯片材料、封装工艺水平及外加恒流源大小有关。

  33. 总光通量的测量——积分球法 • 积分球法 使用积分球将使LED总 通量的测量更加简单。 带有两个入射孔和一个 于探测器的出射孔 的积分 测量可对待测LED的自吸 进行修正。

  34. LED光特性 • 发光效率 • LED效率有两种 内部效率：pn结附近由电能转化成光能的效率。内部效率只用来分析和评价芯片优劣的特性 外部效率：辐射到外部的效率。 • 发光效率：辐射出光能量（发光量）与输入电能之比量子效率 η=发射的光子数/pn结载流子数 • 流明效率：LED的光通量/外加耗电功率 • 流明效率是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。 • 理论计算中，最大的流明下来率为628lm/W。同此相比，LED未来的发展前景很广阔。

  35. LED光特性 几种常见色光的效率对比

  36. LED光特性 • 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高 . • LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为η=ηiηcηe ， ηi向为p、n结区少子注入效率 ηc为在势垒区少子与多子复合效率 ηe为外部出光（光取出效率）效率。

  37. LED光特性 • 由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

  38. LED光特性 • 如何提高外部出光效率ηe？ 1.用折射率较高的透明材料覆盖在芯片表面 2.把芯片晶体表面加工成半球形 3.用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.4~2.6的低熔点玻璃[成分As-S(Se)-Br(I)]且热塑性大的作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高4~6倍。

  39. LED光特性 • 发光亮度 • 亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。其正法线方向的亮度，指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2 或Nit。 • LED亮度与外加电流密度有关，电流密度增加发光亮度也近似增大。 • LED亮度还与环境温度有关，环境温度升高，复合效率下降，发光亮度减小。当环境温度不变，电流增大足以引起pn结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。

  40. LED光特性 • 老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关。外加恒流源越大老化越快。 • 寿命：通常把亮度降到初始亮度一般所经历的时间称为二极管的寿命。 • 测量方法：给LED通以一定恒流源，点燃103 ~104 小时后，先后测得BO ，Bt=1000~10000，代入Bt=BO e-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出寿命t。 • 长期以来总认为LED寿命为106小时，这是指单个LED在e=20mA下。随着功率型LED开发应用，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据。如LED的光衰减为原来35%，寿命＞6000h。

  41. LED热学特性 • LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。一般工作在小电流IF＜10mA，或者10~20 mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长或λp 就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。 • LED的主波长随温度关系可表示为λp（ T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。这对于作为照明用的灯具光源要求小型化、密集排列以提高单位面积上的光强、光亮度的设计尤其应注意用散热好的灯具外壳或专门通用设备、确保LED长期工作。

  42. LED热学特性 • LED测量的环境温度一般为Tamb＝25oC。 • 随着温度的增加，LED波长的中心会发生蓝移或红移 • 随着温度的增加，LED的光强将会减小

  43. LED热学特性

  44. LED热学特性

  45. LED热学特性

  46. LED热学特性 LED散热结构

  47. LED应用 • 照明应用：

  48. LED应用 • 汽车部分：以汽车內装使用包括了仪表板、音箱等指示灯，及汽车外部 ( 第三刹车灯、左右尾灯、方向灯等 ) ，目前欧洲系列车种包括奥迪、宝马、福斯等品牌全系 列采用高亮度 LED ，而车厂中，丰田汽车也率先将仪表板的背光板换成高亮度 LED ，其他各车厂新车，也在陆续采用。

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