1、LED光源基础知识 (一) 2009年1月1日,前言-历史回顾 20世纪初，在碳化硅PN结两端施加正向偏压可以产生光辐射的LED基本原理被确立。上世纪60年代，红光和绿光LED问世，70年代黄光LED出现，90年代，日本制造商成功开发出蓝光LED，进而于1996年研制出白光LED，从而使得LED的用途从最早的信号指示逐渐拓宽到普通照明等应用领域。,LED原理 LED（Light Emitting Diode），即发光二极管(发光二极体(台湾翻译)。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，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子
2、发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白色的光。 包含可見光(Visible)與不可見光(Invisible)屬於光電半導體的一類在結構上包括P極(P-Type)與N極(N-Type) 元件的电气符号:问题:驱动LED发光的电源模式是直流还是交流?,發光二極管是由-族化合物製成的如GaAs(砷化鎵)GaP(磷化鎵)GaAsP(磷砷化鎵)等其核心是P-N結。因此它具有一般P-N結的I-N特性即正向導通反向截止擊穿特性。此外在一定條件下它還具有發光特性。在正向電壓下電子由N區注入P區空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(受子)一部分與多數載流子(施子)復合时会把多余的能量以光的形式释放
3、出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。如下图所示：,LED发光原理,P層與N層之接合狀況,正向電壓,逆向電壓,發光二極體當陽極(P極)電壓加正陰極(N極)電壓加負,此即為順向電壓所加的方向，此时電流便產生反之如陽極端加負電位陰極端加正電位則其電流很小幾乎為零這樣所加的电压为逆向電壓当逆向电压超过LED的耐壓值時便有很大的電流流出(PN结被击穿) 這樣就會損害到元件。依各廠家及各種晶片的制程不同其反向耐壓值也不同. 白光的发光原理是什么呢?,白光LED技術概況和白光LED的制作原理,1993年GaN系藍光LED被開發出來，白光LED才成為實際可行的產品。
4、 所謂白光是多種顏色混合而成的光，如二波長光(藍色光+黃色光)或三波長光(藍色光+綠色光+紅色光) 白光LED開發基礎在於藍光技術，目前在藍光LED技術方面以日亞化學領先。 1、RGB=白光(在制程技术和产品应用面都有困难,未大量采用) 2、藍色LED芯片黃色熒光粉=白光(目前主要制程)NICHIA YAG(Y3Al5O12:Ce ) (US 5,998,925)OSRAM TAG (Tb3Al5O12:Ce ) (US 6,504,179 B1) 3、日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED 因为专利的原因,目前葳天的晶片供应商有:美商-Bridgelux;旭明光电;Cree;台商-
5、晶元光电;光磊电子;华上光电; Forepi; 葳天使用的荧光粉是 Intematix公司授权提供(US 10/948,764)LED有那些优点和缺点呢?,LED的特点,LED具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应速度快等优点 多变幻：LED光源可利用LED在电流瞬间通断发光无余辉和红、绿、蓝三基色原理，并发挥我们多年对LED显示屏控制技术的研究，采用LED显示屏控制技术实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的“动态光源”。 高节能：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率达90%以上，同样照明效果比传统光源节能80%以上。 寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，因
6、此无灯丝发光易烧、热沉积等缺点。工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长5倍以上。 利环保：冷光源、眩光小，无辐射，不含汞元素，使用中不发出有害物质。 高新尖：与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式控制等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。LED应用在哪些领域呢?,LED应用领域,LED照明将在现在和未来的诸多领域的应用，其中包括：普通照明、背光照明、道路交通、交通工具、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域。 对于LED的应用，其在普通照明领域的广泛普及是人们最为期待的。目前，照明LED的应用局限于局部照明、装饰照明、轮廓照明等特殊方式，而人
7、们迫切希望LED成为新一代普通照明光源，各照明公司都在积极开发相关产品。虽然现在LED在电光转换效率和价格方面尚不能与荧光灯相比，但其光效提高速度惊人，且随着LED生产量的扩大其经济效益是不可估量的。 另外，许多建筑和照明设计师认为，使用LED可为他们增添许多新的设计方式，他们可利用LED将自己的灵感和构思具体化，如此而产生的设计样例可方便地为人们观看，这也非常有利于LED的普及。将制造商、设计师和用户的设想完美融合，开拓传统照明光源无法实现的新的应用领域是最重要的。一个顶尖的销售人员需要会为客户提供最佳的LED应用方案. LED有哪些参数术语呢?,LED术语,IF (forward curr
8、ent)表示正向电流值;单位：mA；1W的LED正常使用条件为350mA；(以1W的LED光源举例,因为不同功率,正向电流值不一样) 正向电流forward current与正向电压forward voltage的关系图,VF：即正向电压值；单位：V；规格书等参数表所标示的工作电压是在给定的正向电流下得到的。(1W的LED一般是350mA时测得) VFL：VFL为LED开启点电压，也就是刚好导通时的电压。 VFL与材料有关，VFL大小是标志LED发光特性的好坏。 VFL与温度有关 VFH：用顺向驱动电流350mA测试LED，电压读值为VF值。 每种芯片都有一个VF范围。 如果VF读值超出芯片正
9、常电压范围时称VF次品。 虽然我们说LED正常发光工作时主要看正向电流值,但市场上会有电压型LED,也就是用电压值来驱动LED是否发光., V-I曲線(伏安特性曲線),說明在正向電壓小於某一值時電流極小LED不發光。當電壓超過某一值後正向電流隨著電壓迅速增加而發光。由V-I曲線可以得出發光管的正向電壓反向電流及反向電壓等參數。,電壓與相關電性參數的關系,VR反向電壓值;單位V;正常VR設定值5V或6V 注意事項在逆向施加高電壓會導致元件受損因此操作時須留意逆向電壓的極限值。,IR反向電流值;單位A;正常IR讀值範圍以VR=5V條件下逆向電流值10A 要求嚴格的高檔產品逆向電流值設定為1A,說明
10、:上圖給出的是一顆發光二極管發光強度角分佈的情況。 0度處坐標為中垂線(法線)為相對最大發光強度。離開法線方向的角度越大相對發光強度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 葳天的LED角度,现有的是140度;,(圓頭50度角),(內凹140度),(內凹160度),角度:標示符號 21/2單位度( o );定義1/2是指發光強度值為軸向強度值一半的方向與發光軸向(法向)的夾角。我們所定義的角度即為半值角的2倍也稱為視角(或稱為半功率角)如下圖:,色溫,色溫指一個絕對黑體在溫度上升到某一個溫度時的色彩變化. 详细地讲就是把一个绝对黑体密闭在真空状态里，从绝对零度（-237度）时开始加温。随着温度升高
11、，黑体会发出不同的色光来.比如3200度时，发出的是浅橘黄色的光，5600度时色光就更浅了，温度越高色光越浅，直到人眼看不出颜色。这个物理现像是一个叫凯尔文的老外发现的，所以色温的计量单位就以他的名字命名：就是K。常见的碘钨灯发出的光的色温就是标准的3200K. 正午的阳光为5600K 日光灯的色温介于两者之间。,光通量（lm）：光源每秒钟发出可见光量之总和。例如一个100瓦（w）的灯泡可产生1500流明（lm），一支40瓦（w）的日光灯可产生3500lm的光通量。 发光强度 IV(Intensity)(cd）：光源在单位立体角度内发出的光通量，也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密
12、度。光强的单位是坎特拉（cd），也称烛光。如：一单位立体角度内发出1流明（lm）的光称为1坎特拉（cd）。 照度 :光通量與被照面之比值。單位：勒克斯 (Lux, lx)1 lux為1 lumen之光通量均勻分佈在面積為1平方米之區域。光效（lm/w）：光源发出的光通量除以所消耗的功率。它是衡量光源节能的重要指标。 显色性（ra）：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数 （ra）定为100。各类光源的显色指数各不相同,如：白炽灯ra90，荧光灯ra=6090。 平均寿命：光源在正常使用过程中，其中有50%的光光通量衰减时的时间。,LE
13、D光源与传统光源的计术指标对比 光源种类 光效（lm/w）显色性（ra）色温（k） 平均寿命（小时） 白炽灯泡 15 100 2800 1000 白英卤素灯 25 100 3000 2000-3000 普通日光灯 70 70 全系列 8000 三基色日光灯 96 80-98 全系列 10000 LED灯具 50-150 90 全系列 60000,CRI,A.定義是指顯色(演色)指數,以D65標准機測試并以太陽光為准頻譜讀取之波形B.CRI具體數據為以所占太陽光波形面積之比例得出的,如图,太陽光波形,LED波形,0,200,400,600,1000,800,WAVELENGTH(nm),LUMI
14、NOUS,注LED波形一定在太陽光波形之內.,CIE定義最早定義為1931 CIE-XYZ系統，就是在RGB系統的基礎上，用數學方法，選用三個理想的原色來代替實際的三原色，從而將CIE-RGB系統中的光譜三刺激值 和色度座標r、g、b均變爲正值。C.I.E.即色度圖(也稱舌形圖),視感度,人眼對555nm波長光(綠色)的感度最佳, 隨之比它波長越短或越長, 則感度越差, 此種人眼感度特性, 稱為視感度W與lm的關係即在視感度v(lm) = K Vd為波長的Power(W)p與d的關係亦在視感度,Power: 1W = 25.9 lm450nm(Blue)= 679 lm550nm(Green)
15、= 683 lm555nm(Green)= 73.0lm650nm(Red),電光源光度量測解释,detector,測量光通量的方法：積分球,Detector area: 100mm2,測量光強的方法：,cd = lm/sr sr: steradian,流明与照度的关系: lm : the unit of luminous Flux- Total flux- Measured in a integration sphere,cd : the unit of luminous Intensity- Directional average intensity- Measured by IS or 370 etc.,LED基本结构图,LED设计和应用时的考虑,LED光源部件,LED光源采用了正确的散热方式后的完整产品图,铝基板结构,
