雷士照明：LED基础以及运用ppt课件.ppt

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1、LED基础及运用,什么是LED,什么是LED-LED发光原理,LED：light emitting diode-发光二极管。LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。如下图，在电动势的作用下，电子对从能量高的能级跳跃到能量低的空穴，据能量守恒，多余的能量以光和热的形式释放出。,LED光源的优点,传统照明光源白炽灯卤素光源 荧光光源气体放电光源,发光二极管(LED)长寿命能源转换效率高数字化调光调色 体积小 (设计自由度高)方向性光源固态光源/抗震性强启动迅速无红外/紫外光线低电压不含汞/水银,

2、Less Weight,Lifetime Reliability,Recyclingand Disposal,Energy Consumption,Hazardous Substances,LED产品产业链,半导体行业,基础材料行业,LED灯具系统概念,考核：认证、测试,光与色-LED光源分类,SMD：它是Surface Mounted Devices的缩写，意为：表面贴装器件，它是SMT(Surface Mount Technology 中文:表面黏著技术）元器件中的一种，可以进行回流焊，适合于自动化大规模生产小功率LED一般为单颗0.2W以下，常见的有 3528 / 3014 / 5050

3、中功率LED一般为单颗0.2W0.5W，常见的有5630 / 2323 / 3030,功率型LED一般为单颗1W以上，典型驱动电流多为350mA，比如Cree XP-E最大驱动电流可以1000mA，XP-G最大驱动电流可以达到1500mA，而XM-L最大驱动电流则可以3000mA。,光与色-LED光源分类,COB:将多个芯片高密度地集成在一起封装而成的功率型LED。可以获得较高的光通量，可以获得比较好的颜色一致性，不需要SMT贴片和回流焊焊接，尺寸较小，灯具外观设计变得容易。,光与色-LED光源分类,光与色-LED基础参数,波长 (Wavelength ) 光是一种电磁波 波长决定光的颜色 可

4、见光的波段从紫光(约 380nm )到红光(780nm ) 不可见光的波长 * 红外线长于 780nm * 紫外线短于 380nm,光与色-LED基础参数,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。 正向电压（VF):通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间 产生的电压降。 反向电流(IR):加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过 LED的电流。,光与色-LED基础参数,光通量: 通过发光二极管的正向电流为规定值时，一光源所发射并 被人眼感知之所有辐射能称之为光通量。单位:流明(lm)发光强度: 光源在单位立体角内发射的光（或辐射）

5、通量。 I=d/d。单位:砍德拉（cd）照度: 照度是用来说明被照面上被照射的程度。 E =d/dA。单位：勒克斯（lx）亮度:亮度也是用来表示物体表面发光强弱的物理量，被视物体发光面 在视线方向上的发光强度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的 比值，称为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。,光与色-LED基础参数,色温:当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时, 黑体的温度称为该光源的颜色温度。 黑体是内部中空开一小孔的球体，单位为开尔文（K),光与色-LED基础参数,相关色温:对于某些光源发射的光（比如气体放电灯和LED)的颜色和 各种温度下的黑体辐射的颜

6、色不完全相同(色坐标有差别).若光源发射 的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近,则黑体的温度称为该 光源的相关色温。 关于相关色温，标同一色温的光源，处在色温直线的不同位置，其颜 色不一样，给人们选择光源带来很大的问题（颜色一致性差）。,偏黄绿方向,偏蓝绿方向,偏黄方向,偏红方向,光与色-LED基础参数,显示指数:光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼 真的程度.显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接 近自然原色,显色性低的光源对颜色表现较差。,光与色-LED基础参数,色坐标:白光分色按右图 分X,Y值,而其它颜色光 按波长来分.同一相关色 温组成一条直线，与黑

7、 体轨迹相交，此直线上 任何一点的相关色温等 于交点的黑体色温。 每一个不同的色坐标点 有不同的颜色表征,CIE1931 色度图,光与色-LED白光的产生,加色原理,红+绿+蓝=白蓝+黄=白红+青=白绿+品红=白,光与色-LED白光的产生,RGB三种LED波长匹配混光蓝光LED加黄色荧光粉,光与色-LED白光的产生,几种常见的光谱分布-现阶段主流技术路线的白光LED光谱不连续,图1.太阳光光谱图,图2.白炽灯光谱,图3.紧凑型荧光灯CFL光谱,图4.RGB混光LED灯光谱,图5.InGaN LED激发黄色荧光粉白光光谱,光与色-LED光源相关特性解读,LED基本尺寸-以Cree XB-D为例

8、（2525）,光分布-朗勃型光分布,光与色-LED光源相关特性解读,LED电性能参数Tj 85参数Tj：PN结的温度,光与色-LED光源相关特性解读,LED结温与光通量关系图Tj 85参数,LED正向电流与光通量关系图Tj 85参数,光与色-LED光源相关特性解读,LED Tsp与色坐标漂移关系图If 350mA参数,LED正向电流与色坐标漂移关系图Tj 85参数,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-亮度Bin,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-VF Bin以Philips Rebel ES为例Cree公司不区分VF Bin,LED光源分Bin-Color B

9、in以Cree XB-D为例Tj 85参数,光与色-颜色一致性,如下图，以3000K为例，在ANSI要求的区域内（约7 SDCM)分成16个不同的小Color Bin，每一个小Bin内的颜色一致性相对较好（约2 SDCM)，但是不同的Bin区之间的颜色差异性比较大。,光与色-颜色一致性,色差图A2,色差图B4,色差图C2,我们以3000K色温为例，挑选其中的三个bin进行光色的对比，三个bin分别为A2、B4和C2，所使用的灯具为雷士TLED301A 30W-3000K/15导轨射灯。此款灯具的功率为30W，色温为3000K，光束角为15度。,光与色-颜色一致性,色容差：用麦克亚当椭圆（Mac

10、 Adam Eclipse）来限定颜色区域是比 较普遍的做法。如对荧光灯， 美国的Ansi C78.376-2001标准要求是 各个色温不能超过4步的麦克亚当椭圆（4-Step Mac Adam Ellipse或 4 SDCM）。IEC标准相对而言较宽，为5 SDCM。,麦克亚当椭圆,光与色-颜色一致性,MacAdam实验：制造一个装置，让受过训练的观察者在亮度为恒定的48cd/m2下辨别两个不同的颜色。其中一个颜色是不变的，另外一个有细微分别的颜色是变化的。要求观察者对颜色进行分辨。这个实验在色空间中选用25个点。结果发现，人眼对颜色的分辨是落在CIE 1931色度图中的一个个椭圆中。,光与

11、色-颜色一致性,对LED室内照明的灯具，目前最为通用的标准是Ansi C78.337-2008。其范围是沿黑体曲线将颜色分为8个四边形。如图所示，每个四边形大约与7 SDCM相近，略大于7 SDCM。,光与色-颜色一致性,在CIE 1931色度图中，离开黑体曲线，向任何一个方向偏离，颜色都会有相应的变化。人眼可以明显感觉出处于7 SDCM范围内远离的两点的颜色的不同。较为理想的情况，是将颜色控制在3 SDCM，在建筑的装饰照明，为了保证颜色一致性，甚至要求2 SDCM。,1 SDCM：人眼刚能感 觉到色差（50%观察者 觉察，50%没有察觉） 2 SDCM：90%观察者 在白色背 景下能看到

12、色差 4 SDCM：在非白色的 背景下，色差不明显,光与色-颜色一致性,色容差的计算：K：代表步数，比如7SDCM 代表 7步色容差x，y：代表x值与y值与中心点的差。G11，G12，G22： 代表光色范围的常数,注：表中G11，G12，G22需各乘以10的4次方,光与色-颜色一致性,对于LED产品的色容差计算，需要将上表中的中心点（CFL)更换如下表中不同色温所对应的中心点，目前的积分球的色容差中心点定义基本都按照CFL的中心点设置，所以积分球所测试出来的色容差仅供参考，准确的LED色容差可根据能源之星定义的中心点和上述公式计算。,光与色-颜色一致性,对室内照明应用， Ansi C78.33

13、7-2008定义得还不够严格！,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,由上述的资料可以看出， Ansi C78.337-2008所要求的色容差略大于7 SDCM，其色差是相对明显的，如上面看到的301的导轨射灯所用不同的3个不同的Bin的LED所表现出来的色差非常明显。以3000K XP-E为例，我们选用其中的9个Bin区混合使用，以此来得到较好的一致性。,混Bin的原理与RGB混Bin产生白光的原理一样，我们也可以用不同颜色表征的白光相互混合使用，混Bin就是使用色坐标的数学相对迭加的原理。如左图，对于3颗光源的灯具，我们采用A3/B2/C1的混Bin方案，首现A3和C1相迭加得到如图粉色

14、的坐标点，然后粉色的坐标点再与B2相迭加，由于粉色坐标的权重为B2的两倍，则最终迭加得到的红色的坐标点更靠近粉色的坐标点。,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,以公司301导轨射灯为例，灯具为15PCS XPE光源，我们采用5倍的3合一的方案进行混Bin，为了出光面的颜色也相对一致，我们选用了16个色温Bin中的9个Bin区组合了8个混Bin方案，获得很好的颜色一致性。,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透镜,透镜,反射器,混光腔,小角度照明产品内应用可设计出不同配光方式材料多为PMMA或者PCPMMA效率比PC略高,用于大角度照明产品配光以轴对称性为主较难控制配光多为铝旋压或者塑胶镀

15、银角度与反射器的深度与出光 面大小有较大关系,眩光小可用于多色混光多用于筒灯产品出光面的均匀度与 混光腔的深度和反 射面的斜度有较大 关系,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,折射定律,全反射定律,几何光学三大定律光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播光的反射定律和折射定律（Snell定律）,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,全反射式透镜：多用于射灯、天花灯产品,在透镜出光面上增加珠面：防止出现芯片镜像效率降低2-3%角度将略有增加出光更加均匀、光斑效果更好,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透射式透镜： 投射式透镜利用光线折射原理改变LED中间光强的出射角度，达到 改变配光，出

16、射均匀的目的。 透镜效率90% 主要应用在如路灯，室内基础照明灯具等需要大角度配光的场合,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,反射杯： 反射器在传统灯具中也广泛应用，根据配光要求一般为双曲线或者 自由曲面形式 因为反射器无法控制LED中心的光线，所以反射器光线控制能力较弱 效率较高92%,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,混光腔： 合理的混光腔能够取得较柔和的出光效果 出光面的颜色一致性较好 可以克服多颗光源的重影现象 无眩光的现象,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,光学元件设计与仿真,LED散热-控制结温的重要性,LED结温直接影响LED的寿命，从下图可以看出，结温升高10度，LE

17、D寿命(L70)约降低一半，且随着结温的增加，LED的光输出也相对应的下降。,LED光源,MCPCB,散热器表面,通过导热介质,自然对流换热，散热片表面热量与空气进行热交换,辐射换热，灯体表面与周围环境进行辐射换热,LED散热-LED的散热通道,散热器表面,散热器表面,LED结温无法通过实际测试侦测出来。Tj=Tsp+Rjc*PowerTsp: LED焊点温度 可以实际测试出来Rjc：光源规格书会提供Power:功率(Vf*If),LED散热-热量传递的三种基本方式,热量的传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。它们可以单独出 现，也可能是两种或三种形式同时出现。 凡是有温差的地方就有热量的传递

18、。 热量传递的两个基本规律：热量从高温区流向低温区；高温区发出 的热量必定等于低温区吸收的热量。在稳态条件下，存在着热平衡。符合能量守恒定律。,传导 对流 辐射,热传导 1. 气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体的导热主要是靠自由电子的运动来完成。非导电固体的导热是通过晶格结构的振动实现的；液体中的导热机理主要靠弹簧波的作用。 2. 导热基本定律是傅立叶定律：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该垂直于导热方向的截面面积的温度变化率。 : 热流量, W : 导热系数， W/(m.) A : 导热方向上的截面面积， : X方向的温度变化率， 负号表示热量传递方向

19、与温度梯度的方向相反,LED散热-热量传递的三种基本方式,对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中,且伴随着有导热现象.流体流过某物体表面时所发生的热交换过程,称为对流换热. 牛顿冷却公式(如右图): : 热流量, W hc: 对流换热系数， W/(m2.) A: 对流换热面积， m2 : 热表面温度， : 冷却流体温度,LED散热-热量传递的三种基本方式,辐射 物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐射.辐射能在真空中传递能量,且有能量形式的转换,即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。 任意物体的辐射能力表示为: : 热流量, W : 物体的黑度 :

20、 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， A: 辐射表面积， T: 物体表面的热力学温度, K.,LED散热-热量传递的三种基本方式,边界层,：流动边界层 ：滞流内层 ：过渡缓冲层有:,由于对流传热是在流体流动过程中发生的热量传递现象，而且流体流动过程中又与固体壁面接触，流体流经固体壁面时，形成流动边界层，靠近壁面处总有一层滞流内层存在。在此薄层内流体质点是沿壁面成平行运动的而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经它的冷流体，都必然要通过滞流内层。而在滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相互位移，无任何宏观的混合。热量仅能通过传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的导热系数小

21、，故滞流内层的热阻大，通过滞流内层的温度急剧下降。此外在滞流内层和湍流主体流之间存在一个温度逐渐变化的区域称为过渡缓冲层。,LED散热-热量传递的三种基本方式,减小接触热阻：a. 确保MCPCB与散热片贴合平面的平面度； b. MCPCB 与散热片之间需要有导热界面材料； c. 热导系数好的界 面导热材料； d. 界面导热材料必须承受一定的压力,LED散热-散热设计注意事项,2. 减小扩散热阻,3. 通畅的气流路径,LED散热-常用材料的导热系数,LED散热-常用材料和相关生产制程,压铸,导热塑料,铝挤,陶瓷,冲压,热管,LED散热-散热仿真,常用软件：Icepak EFD,LED散热-LED

22、光源寿命推算,仿真时使用灯具的最高使用温度，根据仿真出来的Tsp温度和LED的驱动电流，然后参考光源的LM-80报告来判断光源的L70寿命。举例，使用Cree XT-E光源，驱动电流为700mA，仿真的Tsp温度为80，则可以判断其光源寿命大于50000小时。,LED电源-驱动原理,电源参数：输入电压/电流输出电压/电流功率因数开路电压电源效率恒流精度使用温度EMI纹波谐波耐压,LED电源-驱动原理,LED电源-驱动原理,LED电源-驱动原理,LED灯具测试,光电色参数测试设备：积分球光通量辐射通量光效色温/色坐标显色指数,LED灯具测试,光分布测试 测试设备：光度分布计,极坐标光分布,直角坐标光分布,LED灯具测试,光分布测试 测试设备：光度分布计,LED灯具测试,光分布测试 测试设备：光度分布计,LED灯具测试,光分布测试 测试设备：光度分布计,LED灯具测试,能源执行关于色温与色漂移的要求,LED灯具测试,能源执行关于显色指数与功率因数的要求,LED灯具测试,能源执行关于光效的要求,非标准灯具、非定向灯具,定向灯具,装饰性灯具,LED灯具测试,能源之星关于流明维持率和加速老化测试的要求,装饰性灯具在25环境温度下测试,LED灯具测试,能源之星关于流明维持率测试时间与灯具寿命,