1、半导体照明讲座,主讲：*,一、半导体照明（LED）基础,1、重要照明术语,如其它所有科技行业一样，照明行业也有其专业术语。这些特殊的用语和概念可以明确定义光源和灯具的特征，并使测量单位标准化，下面是对其中最重要的术语的说明。,光线和辐射,光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱。这类射线的波长范围在360到830nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部份。,光线和辐射,1、重要照明术语,单位：流明lm 光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和即为光通量（）。,光通量,1、重要照明术语,光强分布图,单位：坎德拉cd 一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。
2、可见光在某一特定方向角内所发射的强度就叫做光强（l）。,光强l,1、重要照明术语,光强(l)是指在某一特定方向角（w）内所发射的光通量（）,单位：勒克司lx 照度（E）是光通量与被照射面积之间的比例系数。 1 lx即指1 lm的光通量平均分布在面积lm2平面上的明亮度。,照度E,1、重要照明术语,照度E,单位：坎德拉/平方米cd/m2 辉度（L）是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。,辉度L,1、重要照明术语,光效单位：流明每瓦lm/W光效是指电能转换成光能的效率。色温单位：开尔文K当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度
3、越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为2700K，而日光色荧光灯的色温表示方法则是6000K。,光效与色温,1、重要照明术语,光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。通常叫做“显色指数“（Ra）. 显色性是指事物的真实颜色（其自身的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。 Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。,显色性,1、重要照明术语,灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效
4、率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。,灯具效率,1、重要照明术语,1. 光度 光源在某一方向上的单位投影面在单位立体角中反射光的数量，称为光源在某一方向的光亮度，符号为L，L=di/ds单位为cd/（坎德拉每平方米）。2. 眩度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。眩光可以分为视能眩光和不舒适眩光。眩光是影响照明质量的重要因素。,亮度与眩光,1、重要照明术语,功率因素电路中有用功率与实际功率之间的比值。功率因数低，则电流中的谐波含量越高，对电网产生污染，破坏电网的平衡度，无功损耗增加。 平均寿命也就是额定寿命，是指点亮批量灯完好
5、率为50%的小时数。,功率因素与平均寿命,1、重要照明术语,光束角射灯发射光的空间分布，以中心最强，向四周逐渐减弱到中心光强50%强度的圆锥角为光束角。 三基色红、绿、蓝（稀土元素在紫外线照射下呈现的三种颜色）。 频闪效应电感式荧光灯随电压电流周期性变化，光通量也周期性的产生强弱变化，使人产生不舒适的感觉，称为频闪效应。,光束角、三基色、频闪效应亮度,1、重要照明术语,2、光色的应用,暖色光 暖色光的色温在3300K以下，暖色光与白炽灯相近，红光成分较多，能给人温暖、健康、舒适的感觉。适用于家庭、住宅、宿舍、宾馆等场所或温度较低的地方。 冷白色光 又叫中性色，它的色温在3300K5300K之间
6、，中性色由于光线柔和，使人有愉快、舒适、安详的感觉。适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。 冷色光 又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中。适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。,3、推荐照度范围,照度范围（LX）应用场所 1.20-30-50 室外活动场所及工作场所。如走廊、贮藏室、楼梯间、浴室、咖啡厅、站前广告等等。 2.30-100-150 流通场所，短途旅程的方向定位。如电梯前室、客房服务室、酒吧柜台、室内菜场营业厅、值班室、邮电、游艺厅、剧场、进站大厅、问询处、诊室、商场领道区等等 3.10
7、0-150-200 非连续使用的工作场所。办公室、接待室、客房写字台、商店货架、柜台、小卖部、厨房、售票房、排演厅、检票处、手术室、放射室、广播室、总机室、电教室、保龄球、理发室等等。 4.200-300-500 简单视觉要求的作业场所。如阅览室、设计室、打字室、橱窗、陈列室、美容、烹调、体育运动的训练场、玻璃石器金属品的展览厅、保龄球、排球、羽毛球、武术等的比赛场所等等。,3、推荐照度范围,照度范围（LX）应用场所 5.300-500-700 中等视觉要求的作业场所。体操网球篮球比赛场、游泳跳水比赛场、绘图室、印刷机房、木材机械加工、一般精细作业、粗加工、机床区、电修车间等等。 6.500-
8、750-1000 较强视觉要求的作业。乒乓球、围棋、象棋、等比赛场、金属加工厂、机电装配车间的小件装配、精密电修车间、打字室、抛光车间等等。 7.750-1000-1500 较难视觉作业要求的场所。 8.1000-1500-2000 特殊视觉要求的作业场所。 9.2000以上 进行很精密的视觉作业。,4、照明产品分类,（1）电光源产品 包括新型普通照明灯泡、卤钨灯泡（包括单端、双端、反端式等）、荧光灯（包括直管型、环型、紧凑型、异型等）、高强气体放电灯（包括高压钠灯、金属卤化物灯等）、各类辐射光源（红外紫外等）、高频无极灯、霓虹灯、LED灯、各类交通运输及信号灯。（2）灯具灯饰 民用灯具、建筑
9、灯具、工矿灯具、投光照明灯具、室内外灯具灯饰、嵌入式灯具、船用荧灯照明灯具、船用防暴灯具、道路照明灯具、汽车摩托车飞机照明灯具、特种车辆标志照明灯具、电影电视舞台照明灯具、防爆灯具、水下照明灯具。（3）照明电器附件 整流器、电子触发器、电子变压器、电子镇流器、电子调频器、启辉器、灯用电器、驱动器。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,认证是由第三方经授权的独立的权威机构根据相关的国家或国际法规标准，对生产厂家的产品或生产体系进行检测与监督，并就通过与否签发检测报告与证书的过程。如果取得认证，也就说明产品质量符合了国家或国际标准。,1.长城标志：长城标志又称CCEE安全认证标志，为电工产品专用认
10、证标志。中国电工产品认证委员会（CCEE）是国家技术监督局授权，代表中国参加国际电工委员会电工产品安全认证组织（IECEE）的唯一合法机构，代表国家组织对电工产品实施安全认证（长城标志认证）。 按照中华人民共和国标准化法和中华人民共和国产品质量认证管理条例，电工产品开展安全认证是以等效转化国际电工委员会（IEC）安全标准的强制性国家标准和行业标准为依据，按此类标准开展的认证必须进行强制性监督管理，凡未经安全认证的此类产品，不准出厂、销售、进口和使用。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,2.PRC标志：PRC标志为电子元器件专用认证标志，其颜色及其印制必须遵守国务院标准化行政主管部门，以及中国
11、电子元器件质量认证委员会有关认证标志管理办法的规定。3.CB标志：CB检验为全球性相互认证体系，全世界有34个会员。在共同的IEC标准下，各验证单位均相互承认彼此核发之CB证书及报告，据此，可以迅速地转换他国证书。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,4.UL认证标志：UL是美国保险商实验室（Underwrite rs Laboratories Incorporation）的缩写，它是一个国际认可的安全检验及UL标志的授权机构，对机电包括民用电器类产品颁发安全保证标志。一百多年来，一直致力于对有关材料、工具、产品、设备、构造、方法和系统等对生命财产的危险性进行评估实验。美国安全检测实验室公司提
12、出了为公众所接受的科学测试方法和要求，它制订了七百多种安全标准，其中部分UL安全标准被美国政府采纳为国家标准。产品要行销美国市场，UL认证标志是不可缺少的条件。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,5.GS标志：GS标志是德国安全认证标志，它是德国劳工部授权由特殊的TUV法人机构实施的一种在世界各地进行产品销售的欧洲认证标志。 欧共体CE规定，从1997年1月1日起管制“低电压指令（LVD）”。GS已经包含了“低电压指令（LVD）”的全部要求。所以获得GS标志后，TUV会例外免费颁发该产品LVD的CE证明（COC），TUV Rhein land1997年后的证书则在GS证书中包含了LVD证书。
13、厂商申请GS标志的同时获得了LVD证明。瑞士和波兰产品安全认证标志产品范围同GS标志。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,6.TUV标志:TUV标志是德国零部件产品型式认证标志，适用于电气零部件，如：电源、变压器、调光器、继电器、插接件、插头、导线等机械产品零部件及运动器材零部件。随着电气电子技术的发展，家用电器产品日益普及。广播电视、邮电通讯和计算机网络的日益发达，电磁环境日益复杂和恶化，使得电气电子产品的电磁兼容性问题受到各国政府和生产企业的日益重视。欧共体政府规定，从1996年1月1日起，所有电气电子产品必须通过EM C认证，加贴CE标志后才能在欧共体市场上销售。此举在世界上引起广泛反
14、响，各国政府纷纷采取措施，对电气电子产品的EM C性能实行强制性管理。国家标准GM4343家用和类似用途电动、电热器具，电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和限值已于1996年12月1日起强制实施，国内的家用电器生产厂家必须尽早行动起来，重视EM C认证工作，了解和提高产品EM C性能，紧随EM C认证的新形势，以取得市场上的主动地位。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,7.JIS标志:JIS标志是日本标准化组织（JISC）对经指定部门检验合格的电器产品、纺织品颁发的产品标志。8.BEB标志: BEB标志是英国家用电器审核局对电器及电器设备经指定的第三方认证机构确认合格后，颁发的安全质
15、量认证标志。9. CE标志：CE标志是欧洲共同市场安全标志，是一种宣称产品符合欧盟相关指令的标识。使用CE标志是欧盟成员对销售产品的强制性要求。目前欧盟已颁布12类产品指令，主要有玩具、低压电器、医疗设备、电讯终端（电话类）、自动衡器、电磁兼容、机械等。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,11. NF标志:NF标志是法国认证标志，这种标志可单独用于电器及非电器类产品，也可与其他标志或字母的图案共同使用，主要指安全标准要求和效能特征。12.Nordic标志: Nordic标志是北欧四国安全认证标志，产品范围同CB标志。,5、各国电器电子产品认证标致及说明,6、LED灯的参数指标,1.电参数(1
16、)电压范围： 额定电压 +10% -20% (2)功率范围： 额定（标称）功率 +5% -10% (3)功率因数： 根据实际的情况选择 PF0.6 PF0.9 (4)符合安全规定和电磁干扰及电磁兼容 EMC 的规定要求 (5)电子镇流器的工作频率避让家用电器的遥控频率 (6)符合在高温环境和低温环境下的稳定、可靠工作要求 ( 美国 TCP 节能灯的工作环境温度为 -20 至 +85 ，在此温度范围内，可以长期稳定的工作。 ),6、LED灯的参数指标,2.光参数 (1)光效、光通量要求 小于 15W ， 光效要求 45LM/W大于等于 15W ， 光效要求 60LM/W (2)显色指数： 80
17、(3)色温： 色温偏差小，一致性好 (4)启动时间：小于等于 1 秒 (5)稳定时间：不超过 3 分钟 (6)电压谐波、电流谐波,3.寿命参数 (1)有效寿命六千小时以上（流明维持率达到 70% 以上） (2)在有效寿命期内、高温 85 环境及低温 -20 环境条件下，能稳定可靠地工作；并且在上述温度条件下耐电压波动的冲击，节能灯能稳定可靠地工作（美国 TCP 的产品均达到了有效寿命一万小时以上，且满足上述第 2 条关于环境温度及耐电压波动的要求）,6、LED灯的参数指标,4.机械参数 (1)灯与灯具的连接强度满足规定的扭矩要求 (2)灯头与壳体连接满足规定的扭矩要求 5.电磁兼容电磁兼容（E
18、lectromagneticCompatibility,简称EMC）是电工、电子产品重要的一项质量指标。可以认为产品质量主要由质量规范与技术指标两大内容构成。前者涉及通用规范，即国际上IEC，国内由国家制订的基础性标准；后者是产品功能的规定及其技术要求。,6、LED灯的参数指标,所谓EMC，在GB/T43651996电磁兼容术语中的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。该定义概括了3个方面的内容:其一，电磁骚扰的可限制性。电磁骚扰是普遍存在的，但可以用质量规范约束，以技术手段限制它的危害性。这就是说应当对产品规定其向外发送电磁骚扰强度的限
19、制值，以保证电磁环境合格。其二，电磁骚扰的豁免性。这就是说产品在规定电磁骚扰强度的电磁环境下应能正常工作而不应降低其性能指标。其三，电磁环境的规范性和兼容性。即对电磁骚扰采取任何措施都不能使自身或使处于同一电磁环境的其它产品或系统性能下降，只能友好地“和平”共处。,电磁兼容,对产品的EMC测试应当包括两大方面内容： （1）对其向外界发送的电磁骚扰强度进行测试，以便确认是否符合有关标准规定的限制值要求；（2）对其在规定电磁骚扰强度的电磁环境条件下进行敏感度测试以便确认是否符合有关标准规定的抗扰度要求。这两方面内容在EMC测试项目中分别为电磁干扰（ElectromagneticInterferen
20、ce）及抗扰度（ImmunitytoaDisturbance）,电磁兼容,二、半导体照明（LED）的发展状况,1、发展过程最早用半导体P-N极发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（p=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。 70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（p=555nm）、黄光（p=590nm）和橙色光（p=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP
21、和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的发光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（p=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（p=530nm）的发光效率可以达到50流明/瓦,目前在美国，户外照明所消耗的电量约占其总发电量的4.4%。正是基于这一情况，美国众议院最近提出了一份新议案，要求逐步淘汰能效低下的旧技术(如白炽灯和卤素灯)，为能效更高、更具成本效益的新照明技术(如高亮度LED)的发展铺平道路。,在全球范围内，上至政府机构、工业和商业领域，下至普通大众都在积极寻求降低能耗的有效途径。最初的尝试主要放在容易实现的目标上，比
22、如选择适当的住宅隔热材料、使用太阳能板以及节约能源等。如今，已有相对完善的法律规定，要求我们必须使用高能效的白色家电、适配器和充电器、消费类电子产品以及办公设备。近些年来，随着高亮度LED成本的不断下降，人们也开始对诸如标准家用灯泡等以前所接受的产品重新进行评估。在许多国家(包括美国、德国、英国、爱尔兰和澳大利亚)，新制定的能效标准已上升为法律，将有效禁止白炽照明的继续使用。,美国众议院加利福尼亚州第36号选区议员Jane Harman在2009年3月26日发表演讲，提出了一项“户外照明能效法案”，该法案计划通过解决街道照明问题来逐步淘汰标准灯泡。新提案获得众议院通过后，第一期标准将会于201
23、1年制定完成，随后的标准将分别于2013年和2015年制定完成。届时，美国能源部将会进一步提高能效标准。该法案还要求户外照明灯的亮度必须是可控制的，以便于用户更改它们的发光量，原因是人们在黄昏和深夜时分所需要的亮度水平是不同的。这一功能非常重要，因为它将赋予城市、县镇和其他用户对其用电水平更大的控制权。这项法案参照了加利福尼亚州已实施的相关法律以及其他州早已通过的户外照明标准。,LED灯最早亮相街头要追溯到上世纪90年代，那时，城市当局开始使用固态照明设计来替换白炽交通信号灯。为了也实现LED交通信号灯在其街道照明系统中的能源及维护节省，许多城市纷纷开展了范围广泛的LED路灯试验。,2. LE
24、D照明系统的主要优势 LED照明系统的主要优势是使用寿命长，LED可以持续使用10到15年，至少是传统路灯使用寿命的三倍。仅在低维护率方面，LED就足可成为极有吸引力的选择。此外，由于LED自身的技术特点、能够精确控制所需的发光量，以及可通过LED放置和光学优化来调节光线方向，因此与以前的产品相比，LED的能效水平要高出50%至80%。而且，LED路灯也不含汞，这对于日益关注环保的世界而言，无疑又是一大亮点。 更进一步的优势是，LED能够提供非常均匀的光分布，不仅符合现行标准，还可消除亮点和眩光。这样可确保达到良好的照明效果，同时降低司机和路人的视觉疲劳，而做到这一点并不会产生任何能耗。由于L
25、ED是在低压和低温条件下工作的，因此随着工作时间的增长，它们不会出现泛黄或亮度明显下降的情况。此外，与钠灯不同的是，LED灯无需时间延迟即可达到最佳亮度，这样又可以改善照明效果，同时不会增加能耗。,3.LED的发展前景LED照明将是未来的一个海量增长市场 与现有的白炽灯、荧光灯、节能灯、卤素灯和高压钠灯相比，LED光源具有6大明显的优点，包括：使用寿命长(使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上)、节能省电(相同照明效果比传统光源节能80%以上)、应用简单方便、使用成本低、坚固和环保(无辐射，废弃物可回收，不含汞元素)，这使得它在讲究节能环保的当今经济形势下成为了一个非常吸引人
26、的选择。,3.LED的发展前景能耗方面美国能源部指出：照明所消耗的能量占到了美国年发电量的22%。LED照明的广泛使用将使此项能耗下降 50%。如果客观地考虑到这一点，那么到2027年，LED照明所实现的年度能耗削减量将相当于5亿桶石油，同时还减少了二氧化碳的排放量。,3.LED的发展前景照明市场方面LED绿色照明灯具的海量市场和持续稳定的增长需求将掀起集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的又一场超级海啸！市场研究公司iSuppli也预测，LED照明市场将从2009年的70亿美元增长到2011年的90亿美元，其中超高亮度LED照明市场是增长率最快的细分市场。这预示著未来
27、几年里大屏幕LCD HDTV的背光照明、高速公路照明、重要道路照明、以及建筑工地照明市场将得到快速发展。,3.LED的发展前景价格角度目前LED的价格是其进入大众消费市场的主要障碍，但LED的成本最近下降得非常快。以1W LED光源为例，2008年春的价格是2006年春的价格三分之一，2009年春已降至2006年的四分之一。Polybrite公司(一家LED照明产品领先供应商)也表示，在过去的12个月里，个别白光LED的价格已经从8美元降至1.50美元。并预测在2009年，用LED替换白炽灯泡的价位将为消费者所接受。,3.LED的发展前景应用的角度 小于25W的LED照明应用将逐渐渗透到便携式
28、手持产品(如PMP和MID)、阅读台灯、餐灯、床头灯、标志灯、标识灯、装饰灯、格栅灯、汽车尾灯、汽车近光灯、汽车转弯灯、甚至汽车信息娱乐显示器。25W-100W的LED照明应用可在汽车前照灯、办公室照明和建筑照明用途中找到用武之地。100W以上的LED照明应用将在大屏幕LCD-TV、高速公路、大型广场、电视墙和工业照明中得到广泛普及。,. LED面临的技术设计方面的挑战设计LED照明产品时必须使驱动IC工作在满负荷输出的70-90%的最佳工作区域。使用满负荷输出电流的驱动IC会由于在灯具狭小空间内散热不畅，而容易导致LED照明灯具发生疲劳和早期失效。 除了热管理挑战以外，系统设计师还将碰到的三
29、大设计挑战是如何保持80%以上的总体功率转换效率、无闪烁调光和防止LED的色偏,三、LED的发光原理、结构、特性及主要参数,1、发光原理发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如右图所示。,PN结I-N特性,.发光原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先
30、被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光源只在靠近PN结面数m以内产生。它们释放能量的方式可以是没有辐射的或者以可见光的方式向外释放。对于 LED，它所发射出光的波长（也就是光的颜色）由 p-n 结材料的禁带宽度特性来决定。要想提高性能，LED 材料要有低的反向击穿电压，也就是低的禁带宽度。,颜色在 20 世纪 60 年代晚期，红光 LED 在商业上最早得到了应用，但是
31、当时发出的光非常的弱。尽管有这样的不足，红光 LED 还是被广泛的应用到七段显示器上。由于材料科学上的进步，如今商业上应用的 LED 已经可以发出多种色光，而其中一部分光，如果你直接盯着看的话，能使你的眼睛失明。,颜色蓝光 LED 在几年前得到了广泛的应用。将蓝光 LED，绿光和红光 LED 所产生的光混合将产生白光，这种可以产生白光的技术可以提供很宽的色域，光动态调谐特性好，显色性能出色（CRI） ，非常适合高端背光应用。用蓝光LED和荧光粉的方式产生白光可以更简单更经济，它可以使一部分蓝光转换成黄光。黄光可以模仿眼睛所感受到的红光和绿光，因此蓝光和黄光混合就可以产生白光。这种方案可以提供良
32、好的显色性能，但是由于制作工艺的差异和荧光粉厚度不同，使得这种方式产生的白光遭受着色温不一致的困扰。,效率对于 LED 光源来说高效率是一个术语，当提到照明时，效率被定义为单位功率所产生的光，因此，在公制中，是用流明每瓦来衡量。最近一些LED产品在介绍时承诺效率可以高达 150 流明/瓦，比较而言，白炽灯为 15 流明/瓦，荧光灯可以提供 70 流明/瓦。因此 LED 就会在不久的将来取代白炽灯和荧光灯吗？有可能，但是不幸的是一些 LED 的效率数据只是停留在规格书上。 问题在于 LED 产生的相当一部分光在封装材料表面被反射回了 LED 芯片， 对于这样的事实 LED 本身也无能为力。这部分
33、反射回来的光可能是被半导体材料吸收然后转换成热量一样。,效率抗放射涂层，和将反射角降到最低都可以减少光的反射量和提高效率，降低反射角可以通过使用半球体封装，将 LED 芯片放在中央来实现。然而这些技术还要取决于制作工艺的变化程度和比较高的额外费用来确保性能稳定。因此尽管 LED在工业上正在被快速的采纳，但 LED 的发展还有很长的路要走。,2、结构,3 LED的特性 伏安特性右图为LED正向伏安特性,LED伏安特性的数字模型可用下式表示VF=VT+RSIF+（VF/T）*（T-25） 其中：VTLED的启动电压RS伏安曲线的斜率T环境温度VF/TLED正向电压的温度系数。,伏安特性从LED的伏
34、安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。,4、LED主要参数 LED工作的主要参数是VF/IF，其它相关的是颜色/波长/亮度/发光角度/效率/功耗。 VF正向电压是为LED发光建立一个正常的工作状态。 IF正向电流是
35、促使LED发光，发光亮度与流过的电流成正比例。 LED VF标称电压：3.4V 0.2V 。 LED IF工作电流按应用需要选用，各挡不能混用。 LED Lamp用各档LED电流：WLED（VF=3.4V) 一般功率LED 大功率LEDIF工作电流 15-25mA 200-1400mA,4、LED主要参数LED灯具常用WLED二极管:1）小功率WLED：IF=15-25mA 如 IF=20mA 草帽灯。2）大功率WLED：IF=200-1000mA 如高亮功率WLED，1W/ IF=350mA，3W/ IF=700mA ；3）功率LED管芯按特殊要求绑定的WLED；,5、 LED灯的温度和亮度
36、的关系作为照明用的LED重要的特性参数是光亮度(能量)和光色(光谱能量分布)。对于LED来说单纯地增加输入功率，亮度会成比例地上升，但LED芯片的发热量会随之增加，过多的热将损坏它的结晶和封接而缩短寿命。因此使输入功率的电能高效地转换成光能，减少热量的产生是重要的关键技术。温度的变动引起LED输出特性改变。LED工作时PN结的结温对LED的光通量、颜色和输入电压都有一定程度的影响，而结温主要受环境温度和输入电功率的自加热效应影响。,5、 LED灯的温度和亮度的关系(1) 结温对光通量的影响LED的光通量与结温的函数关系可以表示如下v(T2)=v(Tl)ekTj 其中：v (Tl)结温Tl时的光
37、通量v (T2)结温T2时的光通量k温度系数Tj结温的改变量(T2-T1),几种典型的高亮度LED温度系数,输入电压随温度的变化系数,对于吸收衬底(AS) 和透明衬底(TS)红橙色AlInGaPLED，光通量随温度升高而衰减，情况如左图所示(光通量以25时的值为标准作了归一化)。,从上图出温度对光通量影响很大，温度75时LED输出光通量只有室温时的一半左右，因此在LED组件设计时必须将温度对光通量的影响考虑进去。,(2) 主波长(颜色)随结温的变化结温也会影响到LED的主波长(颜色)。主波长随温度的变化关系可以表示如下：d(T2)=d(T1)Tj0.1(nm/ ) 其中d(T1)结温T1时主波
38、长d(T2)结温T2时主波长有一个很容易记住的关系是结温每升高10，主波长增加1nm。因为红色LED灯颜色的允许范围非常宽(大约为90nm)，在设计时颜色的变化不是很重要，但是，在设计黄色LED灯时，必须考虑到颜色的漂移(根据地区规定的不同，黄色LED灯所允许的波长范围在(5-10nm),(3) 温度导致LED失效 典型的LED由光学透明的环氧树脂封装。温度升高到环氧树脂玻璃转换温度Tg时，环氧树脂由刚性的、类似玻璃的固体材料转换成有弹性的材料。通常情况，在玻璃转换温度Tg，环氧树脂的热膨胀系数(CTE)会有很大变化，Tg位于热膨胀系数剧烈变化区域的正中间,环氧树脂的热胀系数随温度变化图,(3
39、) 温度导致LED失效 为了避免LED失效，结温T应该始终保持在封装树脂的Tg以下。HP定义的最大结温T(max)就低于封装树脂的玻璃T，对于Super FluLEDs，T(max)=125。如果温度超过了T(max)，封装树脂的CTE将会发生很大变化，一个大的热膨胀系数(CTE)使得封装树脂在温度变化的过程中，膨胀和收缩加剧，这将导致金线(或铝线)键合点位移增大，金线(或铝线)过早疲劳和损坏。造成LED开路和突然失效。,6.LED照明设计的散热考虑 25W以下的LED照明系统一般设计用于像阅读台灯、走廊灯、客厅射灯、家用餐灯、小夜灯等应用，客户一般希望这类应用设计得越小巧越好，因此其PCB能
40、安放的设计空间相对来说比较小，因此长时间使用时封装空间内的温度有可能会很高。由于设计师不太可能在其内安装一个散热风扇，因此它的散热设计就变得非常关键和重要。 “大多数小于25W的低功率LED照明应用要求一定程度的小型化。这常常导致更高的功率密度，尽管功耗不是很大。足够的散热管理措施必须通过改进的机械结构提供。此外，高电气效率有助于降低功耗。”Alexander Sommer指出，“如果需要进一步减少热阻，这可以通过电气隔离来做到，因为它可以实现最高效率的热传递。这些方法也允许实现优化的流明输出。”,6.LED照明设计的散热考虑 另一种防止LED长时间工作过热问题的思路是采用调光解决方案。飞兆半
41、导体公司高压IC产品行销经理SangCheol Her表示：“相比荧光灯和白炽灯，采用调光解决方案是降低LED功耗的重要途径，这种方案利用调光控制器来实现。尤其是对于小于25W的LED驱动解决方案，由于PCB尺寸小，而封装空间有限，散热问题无可避免，所以该方案更显重要。” 事实上，在这个功率范围内，LED照明灯将会取代卤素灯和紧凑型荧光灯(CFL)。此外，先进的技术为了摆脱散热问题，必须去掉对温度变化敏感的无源组件如电解电容。然而，目前大多数LED驱动器解决方案都源于电源拓扑并以此为基础，故应该考虑到温度范围的限制，因为一般产品通常基于商业标准，但照明灯却必须确保能够适应严苛的环境如工业环境。
42、,四、灯具,1、灯具的功能基本功能是提供与光源的电气连接，此外还有许多其他重要的功能。大部分光源全方位地发射光线，这对大多数应用而言是浪费的并由此造成眩光。因此，对大多数灯具而言，调整光线到预期方位，同时把光损失降至最低，减少光源的眩光，拥有令人满意的外形及强化灯点燃与未点燃环境的装饰性是它们的一项功能。灯具必须是耐用的，且能为光源，如有必要，有时也为控制电气附件提供一个电气、机械及热学上安全的壳体。,2、光源的防护：光源除需要电气连接以外，还必须有机械支撑并要受到防护，防护程度视要求而定。 适宜的机械性能：灯具部件必须有足够强的机械强度，从而确保在安装和使用时有适当的耐久性，同时有充分强的悬
43、挂强度，金属部件必须有足够的耐腐蚀能力。,3、壳体要求：室外用灯必须有严格的防尘和防水要求，而对某些特殊要求的室内灯具也要提供防护，以抵御水和尘埃的侵入。为了根据防尘和防潮的程度来划分外壳的防护等级，使用了防护等级代码。 序号IP（International protection）防护等级 IP-68第二个号码表示防水等级防护等级代码 第一个号码表示防尘等级说明是国际上用来认定灯具的防护等级的代号，IP等级由两个数字组成，第一个数字表示灯具防尘；第二个数字则表示灯具防水；数字越大则表示灯具防护性能越佳。,4、防护 类别 等级 号码 防护程度定义防尘等级0无防护 无特殊的防护1防止大于50mm的
44、物体侵入 防止人体不慎碰到灯具内部零件；防止直径大于50mm物体侵入2防止大于12mm的物体侵入 防止手指碰到灯具的内部零件3防止大于2.5mm的物体侵入 防止直径大于2.5mm的工具、电线或物体的侵入4防止大于1.0mm的物体侵入 防止直径大于1.0mm的蚊蝇、昆虫或物体的侵入5防尘 无法完全防止灰尘侵入，但侵入灰尘不会影响灯具正常工作6防尘 完全防止灰尘入侵,防水等级0无防护 无特殊的防护1防止滴水侵入 可防止垂直滴下的水滴2倾斜15度时仍防止滴水侵入 当灯具倾斜15度时，仍可防止滴水3防止喷洒的水侵入 防止雨水垂直入夹角小于50度方向所喷洒的水4防止飞溅的水侵入 防止各方向飞溅而来的水侵
45、入5防止喷射的水侵入 防止各方向喷嘴喷射的水6防止大浪的水侵入 防止大浪或喷水孔急速喷出的水侵入7防止浸水的水侵入 灯具浸入水中在一定时间或水压条件下，仍可确保灯具正常工作8防止沉没的影响 灯具无期限沉没水中在一定水压条件下，仍可确保灯具正常工作,5、电气要求：灯具也可根据保护使用者防电击的方式进行分类。类型1的灯具有基本绝缘，所有的金属体都与一个接地端子连接，该端子用来与建筑供电中的接地系统相连接。类型2的灯具防护由双重绝缘下工作的两线照明电路提供。类型0的灯具不接地，仅有普通绝缘措施。各种电器元件和电线都必须在安全情况下工作。 热要求：各部件的工作温度不能超过欧洲标准EN60598英国出版
46、的BS4533（BSI19811990）所规定的数值。热耐久性试验是在比额定环境温度高10、开关循环交替，过电压为5%10%的条件下作7天。试验时间和过电压值视光源和控制电器的类别而定。,6、标志要求：必须有生产厂家的标识、供电电压、额定功率、分类、额定最高温度等。标志必须耐久，制作方法经得起试验。7、光度学要求：通常对于灯具本身并没有规定光度方面的要求，而在设施中要利用灯具的性能说明它的要求，所以有例外，应该注意。 测试：新设计产品在工厂投产以前要进行一整套的测试项目，包括机械测试、外壳测试、电气试验、热测试和光度学测试。,灯具的分类 按安装方式分为：嵌入式、移动式和固定式三种。 按用途方式
47、分为：民用灯具、建筑灯具、工矿灯具、投光照明灯具、公共场所灯具、嵌入式灯具、船用荧光灯照明灯具、道路照明灯具、汽车摩托车飞机照明灯具、特种车辆标志照明灯具、电影电视舞台照明灯具、防爆灯具、水下照明灯具。,五、配光,配光光强在空间的分布是灯具的重要特性，通常用曲线来表示，所以又叫配光曲线，配光曲线一般有三种表示方法：一是极坐标法，二是直角坐标法，三是等光强曲线。,A、极坐标配光曲线： 在通过光源中心的测光平面上，测出灯具在不同角度的光强值。从某一方向起，以角度为函数，将各角度的光强用矢量标注出来，连接矢量顶端的连接就是照相馆明灯具极坐标配光曲线。如果灯具是有旋转对称轴，则只需用通过轴线的一个测光
48、面上的光强分布曲线就能说明其光强在空间的分布，如果灯具在空间的光分布是不对称的，则需要若干测光平面的光强分布曲线才能说明其光强的空间分布状况。,B、标配光曲线： 对于聚光型灯具，由于光束集中在十分狭小的空间立体角内，很难用极坐标来表达其光强度的空间分布状况，就采用直角从配光曲线表示法，以横轴表示光强图I，以横轴表示光束的投角，如果是具有对称旋转轴的灯具则只需一条配光曲线来表示，如果是不对称灯具则需多条配光曲线表示。,C、光强曲线图： 将光强相等的矢量顶端连接起来的曲线称为等光强曲线，将相邻等到光强曲线的值按一定比例排列，画出一系列的等光强曲线所组成的图称为等到光强图，常用的图有圆形网图，矩形网
49、图与正弧网图。由于矩形网图既能说明灯具的光强分布，又能说明光量的区域分布，所以目前投光灯具采用的等光强曲线图都是矩形网图，这里我们将不作介绍。,六、照明设计,照明设计的程序：建筑照明设计的程序一般分成九个步骤： 1、 明确照明实施的用途与目的 照明设计必须首先确定建筑物的用途，是办公室，会堂、教室、餐厅还是舞厅，如果是多功能房间，更要把各种用途列出，以便确定满足要求的照明设备。这一点是建筑照明设计的基础。 2、 光环境构思及光通量分布的初步确定 在明确照明目的的基础上，确定光环境及光通量的分布。如舞厅、要有刺激兴奋的气氛，要采用变幻的光，闪耀的照明：如教室，要有宁静舒适的气氛，要做到均匀的照度
50、和合理的亮度，不能有眩光。,3、 照度、亮度的确定（1） 照明方式的分类，照明方式主要有四种： 一般照明：指室内基本一致的照明，多采用于办公室场所，一般照明的优点是：a、即使室内工作布置变化，也无需变更灯具的种类与布置。b、照明设备的种类较少。C、均匀的光环境。 分区的一般照明，是将工作对象和工作场所按功能来布置照明方式。而且，用这种照明设备，也兼作房间的一般照明。 局部照明。在小范围内，对各种对象采用个别的照明的方式，需有灵活性，局部照明的优点是： 按要求的条件，对每个必要的对象进行照明，易于控制。 通过对某一对象特别高度较低，有效的突出对象。 节约能源 灯具安装高度较低，维护方便。 为了使眼睛适应亮度的过度变化，应同时采用至少为局部照明照度值20%以上的一般照明。 上述各方式并用。,
