LED光源基础知识 (2).ppt

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1、LED 光源的基础知识,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称。顾名思义,LED是一种将电能转化为光能的电子器件并具有二极管的特性。LED与普通二极管一样有两个电极(正极和负极),在内部结构上有和半导体二极管相似的P区和N区,两区交界处是PN结。当正向导通电压加在L

2、ED两端,P区和N区的正负电荷向PN结移动,复合以后能量以光的形式放射出来。光子的波长由能带间隙Eg所决定:波长=1240/Eg Eg的单位是电子伏特,波长的单位是纳米.每一种LED的芯片都有其特定的Eg值,因而都有其特定的发光颜色。波长的半宽度一般为几十纳米。,LED的发光原理,宝玛电气 帝照百年,节能:直流驱动,无频闪,单管功率低,出光指向性强,光能利用率高,同等照明效果功耗仅为传统光源5080%;寿命长:LED属于固体发光源,内部结构牢固不松动,不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点,理论使用寿命10万小时,是传统光源的10倍以上。绿色环保:LED光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐

3、射,LED不含汞元素等污染物,废弃物可回收。LED属于低压冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。真彩变换:LED光源可利用红、绿、篮三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生1600余万种颜色,真正实现丰富多彩的照明变换效果。尺寸灵活,易于设计:LED的外形相对传统光源非常小,这使得我们的灯具设计可以非常灵活,原本很多不可能的灯具成为了现实。光效潜能大:当前白光LED的光效基本可以达到100lm/W,通过提高LED内量子效率和出光率可以达到250lm/W以上,这是传统光源基本不可能突破的。LED自诞生以来,遵循着每10年亮度提高30倍,价格下降10倍的

4、海兹定律。,LED的特点,宝玛电气 帝照百年,LED的光譜,LED所能发出的光谱除可见光谱外,还包含红外线和紫外线光谱,紫外线(UV):波长100nm-380nm的电磁波,肉眼是看不到的,有杀菌、化学反应等作用。红外线:波长从780nm1mm的电磁波。同样肉眼是看不到的,它主要产生热效应。,宝玛电气 帝照百年,光通量(bin):LED光源正常工作时所发出的光的能量。单位:LM。(10LM档)白光光效:80-130LM W 红光光效:15-50LMW,LED 技术参数:,宝玛电气 帝照百年,LED的分级,Vf 值:LED正常工作时的额定工作电压。单位:伏特。(0.1V档)白光,红光,If 值:L

5、ED正常工作时的额定工作电流。单位:安培。分类:20/50/150/350/700mA等。,LED 技术参数:,宝玛电气 帝照百年,LED的分级,Color(bin):LED正常工作时所发出的光的颜色,单色LED用波长表示,白光LED用主要用色温和Ra值表示(正负150K),LED 技术参数:,宝玛电气 帝照百年,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,LED 技术参数:,温度对LED的影响:,LED的光通与工作温度成反比。,(1)温度升高,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电

6、子迁移率将减小。(2)温度升高,势阱中电子与空穴的辐射复合几率降低,造成非辐射复合(产生热量),从而降低LED的内量子效率2。(3)温度升高导致芯片的蓝光波峰向长波方向偏移,使芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配,也会造成白光LED外部光提取效率的降低3。(4)随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,LED的外部光提取效率降低。(5)硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率降低,从而影响LED光效。,宝玛电气 帝照百年,温度升高,波长变长。,LED 技术参数:,温度对LED的影响:,LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长。峰值波长即光强最大的波

7、长,而主波长可由X、Y色度坐标决定,反映了人眼所感知的颜色。对于一个LED器件,发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。温度升高,材料的禁带宽度将减小,导致器件发光波长变长,颜色发生红移。显然,结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。,宝玛电气 帝照百年,LED 技术参数:,温度对LED的影响:,温度升高,LED正向电压会下降。,正向电压是判定LED性能的一个重要参量,其大小取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。当电流固定时,温度升高,LED正向电压会下降。由于正向电压与温度的关系接近线性,所以大多LED热阻测试仪器利用L

8、ED的这一特性测量其热阻或结温。,LED器件的正向压降可由式(3)表示:,式中,为正向电压,为正向电流,为反向饱和电流,为电子电荷,是玻尔兹曼常数,是串联电阻,是表征P/N结完美性的一个参量,处在12之间。式(3)的右边只有反向饱和电流 与温度密切相关,值随结温的升高而增大,导致正向电压 值的下降。,宝玛电气 帝照百年,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,近百年的发展历程,LED从最初的约0.05Lm/W的光效,经历了0.1Lm/W时代,数Lm/W时代,数十Lm/W时代,到现在的

9、约100Lm/W的发效率,并且现代技术的LED发展遵循海兹定律,每10年亮度就会提高30倍,价格下降10倍。1920s,德国科学家在SiC发现电致发光现象。1950s,英国科学家使用GaAs发明第一颗现代意义上的LED。1960s,红光LED问世,并被GE广泛应用在仪器仪表指示。1980s,东芝与HP相继发明高亮度LED。1990s,日亚与CREE相继发明高亮度蓝光LED,为白光问世奠定了基础。20世纪末,白光LED问世。2003年LED的光效将达30流明瓦。2005年LED的光效将达60流明瓦。现在 白光LED 实验室发光效率160lm/W,量产水平在120lm/W以上。,LED的结构及材料

10、,宝玛电气 帝照百年,LED的结构及材料,宝玛电气 帝照百年,5mmLED结构:带引线的P-N结芯片被封装在透明的环氧树脂外壳中。该环氧树脂外壳一方面可以固定和保护元件,另一方面可以起到透镜的作用,决定LED光束角的大小。图是LED核心部分结构的特写,芯片的N区通过导电胶粘结在金属的反光杯上,再与阴极导线相连。芯片的P区通过金线与阳极导线相连。测温点选取:负极引脚。,LED的结构及材料,宝玛电气 帝照百年,Rebal LED 芯片结构:使用陶瓷底板做散热材料。同时加入TVS 二极管保护功能。Rebel 热阻 RJ-Thermalpad=10C/W,Rebel ES 热阻,RJ-Thermalp

11、ad=6C/W 专用测温点。,朗博型 LED 颗粒结构:环氧树脂一次透镜,铝材质绝缘热沉。热阻 RJ-Thermalpad=10-15C/W.,LED的结构及材料,宝玛电气 帝照百年,LED的结构及材料,cree LED 颗粒结构:,宝玛电气 帝照百年,LED的结构及材料,常见小功率贴片 LED 型号:3014/3528/5630/505等,(3.0*1.4*1.2)mm,(5.0*5.0*1.8)mm,宝玛电气 帝照百年,LED的结构及材料,COB(大功率集成)LED:,宝玛电气 帝照百年,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及

12、优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,1.二光谱白光:互补的色光合成白光。(1+1)2.全光谱混合成白光。(111)3.利用二次配光LENS合成白光。(1+1)4.利用单芯片发出全光谱的光。(处于研发阶段),白光LED的合成方法:,单色LED 发光材料:,宝玛电气 帝照百年,1996年日亚公司首先采用InGaN蓝光芯片加YAG(钇铝石榴石)黄色荧光粉的方法制成白光LED。后来:近紫外芯片激发RGB三色荧光粉混合制成白 光。优缺点:工艺成熟,易于批量生产。LED显色指数大部分都不高于85。,二光谱白光:,宝玛电气 帝照百年,全光谱白光:R、G、B 三色芯片混合成白光。优缺点:成本高,

13、色温不易控制。LED显色指数高,可接近100。,宝玛电气 帝照百年,表(1),宝玛电气 帝照百年,用心照亮世界,宝玛电气 帝照百年,1、LED的发光原理及相关技术参数2、温度对LED的影响3、LED的结构类型4、白光LED的合成方法及优缺点附:传统光源的基础知识,宝玛电气 帝照百年,白炽灯工作原理:电流通过钨丝产生热量,螺旋状的灯丝不断将热量聚集,使得灯丝温度达到2000摄氏度以上,灯丝处于白炽状态时发出的光,故称为白炽灯,白炽灯的主要部件为:灯丝、支架、泡壳、填充气体和灯头。,显色性高Ra=100色温较低约为2800K经济寿命短,1000小时左右光效低,为821.5lm/W,宝玛电气 帝照百

14、年,卤钨灯是利用卤钨再生循环原理工作的。蒸发出的钨在灯壳与卤素反应生成气态的卤化钨,再通过对流和扩散到达灯丝的高温区,分解成钨和卤素,钨沉积在灯丝表面,而卤素则被扩散到温度较低的灯壳内壁附近再继续与蒸发的钨化合。这一过程称为卤钨再生循环,显色性Ra=100色温在2900-3200K之间光效达到25Lm/w平均寿命为3000小时,宝玛电气 帝照百年,荧光灯工作原理:,灯内包含有低气压的汞蒸气和少量的惰性气体,灯管的内表面涂有荧光粉层,灯内的低气压汞蒸气放电将60%左右的输入电能转变成波长为253.7nm的紫外辐射,荧光粉能有效地将这一紫外辐射转变成可见光,可见光,紫外辐射,电 子,汞原子,电极,

15、荧光粉,荧光灯分类:,直管型荧光灯紧凑型荧光灯,紧凑型荧光灯按形状不同,有U型、H型和螺旋型等,结构原理和性能都是一样的。,宝玛电气 帝照百年,启动过程:1.向电弧管内的电极间施加高电压触发,启动气体(氩气及氙气)开始放电2.逐渐由辉光放电过渡到弧光放电。3.灯启动后触发器关闭,由镇流器向灯提供合适的电压,灯开始正常工作。,发光原理药丸(金属卤化物)蒸发而产生气体,蒸发的气体原子与流过灯的电子相互碰撞,会被激发从而产生固有波长的光辐射,例如水银会发出青色的光,钠会发出橘色的光,铊会发出绿色的光。总之发光管内封入添加物的种类,依其添加物组合之成份,决定灯泡之发光、显色性及光效率等特性。,宝玛电气 帝照百年,

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