LED照明基礎(chǔ)課件

LED照明基礎(chǔ)2/6/20231LED照明基礎(chǔ)內(nèi)容簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED的發(fā)展史LED的現(xiàn)況LED的特性LED在產(chǎn)品設(shè)計(jì)2/6/20232什么是LEDLED的全稱LightEmittingDiode,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。2/6/20233LED的發(fā)展史1907年HenryJosephRound第一次觀察到場(chǎng)致發(fā)光現(xiàn)象。1936年GeorgeDestiau第一場(chǎng)使用場(chǎng)致發(fā)光這個(gè)術(shù)語(yǔ)。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/W2/6/20235LED發(fā)展計(jì)劃2/6/20236LED發(fā)展計(jì)劃美國(guó)LED行業(yè)的預(yù)測(cè)2/6/20237LED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(zhǎng)光源快速響應(yīng)燈具結(jié)構(gòu)合理運(yùn)行成本低

2/6/20239LED優(yōu)點(diǎn)2/6/202310LED同幾種光源的比較名稱

耗電量（W）工作電壓

（v）協(xié)調(diào)控制

發(fā)熱量

可靠性

使用壽命

（h）金屬鹵素?zé)?/p>

100220不易

極高

低

3000霓虹燈

500較高

高

高

宜室內(nèi)

3000鎂氖燈

16W/m220較好

較高

較好

6000日光燈

4-100220不易

較高

低

5000-8000冷陰極

15W/m需逆變

較好

較低

較好

10000鎢絲燈

15-200220不宜

高

低

3000節(jié)能燈

3-150220不宜調(diào)光

低

低

5000LED燈極低

直流12-36V

多種形式

極低

極高

100000LED光源在性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光源！??！2/6/202311LED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。2/6/2023132/6/202314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(duì)熒光光譜影響并不大。壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較好。InGaN(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2/6/202315白光LED產(chǎn)生----單芯片2/6/202317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(chǎng)合使用。

2/6/202318白光LED產(chǎn)生----多芯片(藍(lán)色+綠色+紅色)LED這種通過RGB方法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(duì)電路的要求也比較高。2/6/202319LED常用詞匯總結(jié)1.光通量φ：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.亮度L：發(fā)光體在特定方向單位立體角單位面積內(nèi)的光通量。單位：尼脫（mcd）。5.光效：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：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）。2/6/202321LED常用詞匯總結(jié)7.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：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(yáng)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：視野內(nèi)有亮度極高的物體或強(qiáng)烈的亮度對(duì)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。2/6/202322LED特性LED的電學(xué)特性LED的光學(xué)特性LED的熱特性

2/6/202323LED電特性

I-V特性是LED芯片性能主要參數(shù)。

I-V特性具有非線性、整流性質(zhì)：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦裕赐饧诱珘罕憩F(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)2/6/202325LED電特性C-V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PFm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)間各不相同2/6/202326LED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θ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θ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。2/6/202327LED光特性發(fā)光峰值波長(zhǎng)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(zhǎng)、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(zhǎng)和帶寬表示，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(zhǎng)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(zhǎng)、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(wú)關(guān)。2/6/202329LED光特性發(fā)光峰值波長(zhǎng)及其光譜分布如圖1藍(lán)光InGaN/GaN發(fā)光譜峰λp=460～465nm2綠光GaP:N發(fā)光譜峰λp=550nm3紅光GaP:Zn-O發(fā)光譜峰λp=680～700nm4紅外GaAs發(fā)光譜峰λp=910nm5Si光敏光電管通常作光電接收用6標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈2/6/202330LED光特性峰值波長(zhǎng)：無(wú)論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對(duì)光強(qiáng)度最強(qiáng)處（光輸出最大），與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng)，用λp表示。只有單色光才有λp波長(zhǎng)。譜線寬度：在LED譜線的峰值兩側(cè)±△λ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(duì)應(yīng)λp-△λ，λp+△λ之間寬度叫譜線寬度，也稱半功率寬度或半高寬度。主波長(zhǎng)：有的LED發(fā)光不單是單一色，即不僅有一個(gè)峰值波長(zhǎng)；甚至有多個(gè)峰值，并非單色光。為此描述LED色度特性而引入主波長(zhǎng)。主波長(zhǎng)就是人眼所能觀察到的，由LED發(fā)出主要單色光的波長(zhǎng)。單色性越好，則λp也就是主波長(zhǎng)。如GaP材料可發(fā)出多個(gè)峰值波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)只有一個(gè)，它會(huì)隨著LED長(zhǎng)期工作，結(jié)溫升高而主波長(zhǎng)偏向長(zhǎng)波。2/6/202331LED的光學(xué)特性——中心波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)質(zhì)心波長(zhǎng)2/6/202332LED光特性光通量是表征LED總光輸出的輻射能量，它標(biāo)志器件的性能優(yōu)劣。光通量為L(zhǎng)ED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、封裝工藝水平及外加恒流源大小有關(guān)。2/6/202333總光通量的測(cè)量——積分球法積分球法使用積分球?qū)⑹筁ED總通量的測(cè)量更加簡(jiǎn)單。帶有兩個(gè)入射孔和一個(gè)于探測(cè)器的出射孔的積分測(cè)量可對(duì)待測(cè)LED的自吸進(jìn)行修正。2/6/2023342/6/202335LED光特性發(fā)光效率LED效率有兩種

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(píng)價(jià)芯片優(yōu)劣的特性

外部效率：輻射到外部的效率。發(fā)光效率：輻射出光能量（發(fā)光量）與輸入電能之比量子效率η=發(fā)射的光子數(shù)/pn結(jié)載流子數(shù)流明效率：LED的光通量/外加耗電功率流明效率是評(píng)價(jià)具有外封裝LED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。2/6/202336LED光特性幾種常見色光的效率對(duì)比LEDλp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-O2.4121~3660GaAlAs0.270.50.3650GaAsP0.380.50.2黃光590GaP:N-N0.450.1

綠光555GaP:N4.20.70.015~0.15藍(lán)光465GaN

10

白光譜帶GaN+YAG小芯片1.6

大芯片182/6/202337LED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)光效率應(yīng)為η=ηiηcηe，ηi向?yàn)閜、n結(jié)區(qū)少子注入效率ηc為在勢(shì)壘區(qū)少子與多子復(fù)合效率ηe為外部出光（光取出效率）效率。2/6/202338LED光特性由于LED材料折射率很高ηi≈3.6。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無(wú)環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出的占32%，鑒于晶體本身對(duì)光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。2/6/202339LED光特性如何提高外部出光效率ηe？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=2.4~2.6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4~6倍。2/6/202340LED光特性發(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)。2/6/202341LED光特性老化：LED發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)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(cè)量方法：給LED通以一定恒流源，點(diǎn)燃103~104小時(shí)后，先后測(cè)得BO，Bt=1000~10000，代入Bt=BOe-t/τ求出τ；再把Bt=1/2BO代入，可求出壽命t。長(zhǎng)期以來總認(rèn)為L(zhǎng)ED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(guó)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。2/6/202342LED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IF＜10mA，或者10~20mA長(zhǎng)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(zhǎng)或λp就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移，BO也會(huì)下降，尤其是點(diǎn)陣、大顯示屏的溫升對(duì)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(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tg×0.1nm/℃由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。這對(duì)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(zhǎng)期工作。2/6/202343LED熱學(xué)特性LED測(cè)量的環(huán)境溫度一般為Tamb＝25oC。隨著溫度的增加，LED波長(zhǎng)的中心會(huì)發(fā)生藍(lán)移或紅移隨著溫度的增加，LED的光強(qiáng)將會(huì)減小2/6/202344LED熱學(xué)特性2/6/202345LED熱學(xué)特性2/6/202346LED熱學(xué)特性2/6/202347LED熱學(xué)特性LED散熱結(jié)構(gòu)2/6/202348LED應(yīng)用照明應(yīng)用：

2/6/202349LED應(yīng)用汽車部分：以汽車內(nèi)裝使用包括了儀表板、音箱等指示燈，及汽車外部(第三剎車燈、左右尾燈、方向燈等)，目前歐洲系列車種