LED灯具结构分析

相对视觉灵敏度
1,
0
人眼
绿色植物
0,
8
0,
6
0,
4 555 nm 400 500 600
0,
2
675 n m 700 800 波长 (nm)
0
• 什么是发光强度？
光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在 该方向上的光强度(简称光强),以 I 表示.单位为坎德拉 (cd)
I
* 发光强度是通过照度计在距离光源较大一段距离 时测量的。
工艺过程都会影响LED的寿命，所以要采用高品质的 LED是首要条件； 4.3.2、封装 LED的后工艺封装是否合理也是影响LED灯具寿命的重 要因素之一。目前全球几大公司如cree、lumilends、 日亚等较高水平的LED封装都有专利保护，这些公司的 后工艺封装要求水平都比较高，LED的寿命因而就有所 保证。 目前大多数企业的LED后工艺封装仿制较多，从外形 看还可以，但是工艺结构及工艺质量较差，严重影响 LED的寿命；
五、LED照明器具所要求的 光特性
目前，LED主要用于三大领域：
。 衡量LED光电性能的主要参数如表1所示。
1) 显示：如指示灯、信号灯、警示灯、显示屏等； 2) 照明：手电筒、矿灯、定向照明灯、辅助照明灯等； 3) 功能辐射：如生物分析、光疗、光固化、植物照明等
5.1、 照明的四个基本度量
图1. Cree公司的LED的光衰曲线
当结温从115℃提
高到135℃，就会 使寿命从50,000小 时降低到20,000小 时。其他各家公司 的光衰曲线应当可 以向原厂索取。
图2. Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线
4.2.2 延长寿命的关键：降低其结温 降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及
各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED
的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如 美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。
从图中可以看出，LED的光衰是 和它的结温有关，所谓结温就是半 导体PN结的温度，结温越高越早 出现光衰，也就是寿命越短。从图 上可以看出，假如结温为105度， 亮度降至70%的寿命只有一万多 小时，95度就有2万小时，而结温 降低到75度，寿命就有5万小时， 65度时更可以延长至9万小时。所 以延长寿命的关键就是要降低结温。
自然的显示方法
效果显色
忠实地再现 色彩
光源一般显色指数类别 显色类别 一般显色 指数范围 适用场所举例
A
I B Ⅱ
Ra≥90
90>Ra≥8 0 80>Ra≥6 0 60>Ra≥4 0 40>Ra≥2 0
颜色匹配、颜色检验等
印刷、食品分检、油漆、店铺、 饭店等 机电装配、表面处理、控制室、 办公室、百货等 机械加工、热处理、铸造等 仓库、大件金属库等
色温(>5000K)较高的空 间
(色温感知)表二
色温 20003000K 3000K4500K 4500K5600K
>5600K
感知 日出0.5小 时 日出2小 时 日出4小 时
阴天
光色 金黄-白 中带红 白中带黄
感觉 温暖
照明效果 稳重
中间偏暖
自然
白
中间
舒适
白中带蓝
中间偏凉
耀眼
(不同色温空间效果)图例说明：
光源在某一方向的光亮度(简称亮度)是光源在该方
向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量. 以L表示.单位为坎德拉/平方米 (cd/m2)
* 亮度是根据对比而来，因此是由主观感觉决定的， 它取 决于照度和材料的反射特性。因为在计划阶段，这些材料 大部分是未知的，因此只有照度是可以预知的。
从哪些方面对光进行测量？它们分别是通过什 么进行测量的？ -光通量（图）
• 图4. LED伏安特性的温度特性
如何具体测算LED的结温？
要求已经把LED安装到散热器里，并且是采用恒流驱动
器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。 在通电以前就把电压表连接到输出端（LED的正极和负 极），然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上 读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少 1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的 电压，相当于V2。把这两个值相减，得出其差值。再被 4mV去除一下，就可以得出结温了。实际上，LED多半 为很多个串联再并联，这也不要紧，这时的电压差值是 由很多串联的LED所共同贡献，所以要把这个电压差值 除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结 温。
图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图
。其中合并了很多热阻，使得其精确度更加 受到限制。也就是说，要从测得的散热器表 面温度来推测结温的精确度就更差。
图3. LED到散热器各个热阻的示意图 但可以根据LED伏安特性间接推算结温
LED伏安特性的温度系数 我们知道LED是一个半导体二极管，它和所有二极管一样
输出驱动电压选择：
20W以内市电驱动时48V左右比较合适； 较大的功率市电驱动输出电压36V左右最合适； 离线式照明大部分是12V和24V电压。
√基于串并联安全考虑出负载合适的驱动电压值,尽量统一电压值 减小电源设计规格成本； √基于安规规定，产品设计要符合认证要求,流峰值超过42.4Vac 或直流超过60Vdc的电压 ； √从解决LED照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。
散热设计
最短的热传到路径，减小热传导阻力；
增大相互传导面积，增加热传到速度； 合理的计算设计散热面积； 有效的利用热容量效应。
4.3.3、灯具设计 灯具设计是否合理，这也是影响LED灯具寿命的关键问题。合理的
灯具设计在满足灯具其它指标之外，一个关键要求是要将LED点亮 时产生的热能散发出来，即就是采用cree等公司的优质LED原装品 ，使用在不同灯具上，LED的寿命可以相差几倍甚至几十倍。例如 现在市场上有集成光源灯具的销售（单颗30W、50W、100W）,这 些产品光源与散热通道接触部分散热不畅，结果导致有些产品在点 亮1～3个月就光衰50％以上，有些产品使用0.07W左右的小功率管 ，由于没有合理的散热机构，导致光衰非常快，甚至有些城市政策 性推广，结果闹出一些笑话。这些产品技术含量低、造价低、寿命 短； 4.4.4、电源 灯具使用电源是否合理。LED是电流驱动器件，若电源电流波动较 大，或者电源尖脉冲出现频率较高，都会影响LED光源的寿命。电 源本身的寿命主要取决于电源设计是否合理，在电源设计合理前提 下，电源的寿命就取决于元器件的寿命。
Ⅲ Ⅳ
5.3、 颜色显色性和照度
光源的显色指数与照度一起决定环境的视觉清晰度。
研究表明，在照度和显色指数之间存在一种平衡关系：用 显色指数Ra>90的灯照明办公室，就其外观的满意程度来说，
要比用显色指数低的灯（Ra<60）照明的办公室效果好，照
度值可降低25%以上。
应该尽可能选用有最佳显色指数和发光效率高的光源
2. 1. 光源 非透明屏Opaque screen 3. 光电池 4. 光射线(反射一次) 5. 光射线 (反射两次)
-发光强度：测向光度仪（图） -照度：照度计（图） -亮度：Biblioteka Baidu度计（图）
4
5 3
2 1
5.2、 光源的色温及显色性
一、 色温 将一标准黑体加热(如白炽灯中的钨丝)，随着温度升 高黑体的颜色开始沿着深红-浅红-橙-黄-白-蓝逐渐改变， 当某光源发出的光的颜色与标准黑体处于某温度的颜色相 同时，我们将黑体当时的绝对温度称为光源的色温，以绝 对温度K来表示。基本色 如表所示：
4.2、 LED寿命
假如不考虑电源和驱动的故障，LED的寿命表现
为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越暗 ，直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为 其寿命。 4.2.1 LED的光衰 大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光 粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个， 一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远 比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光 粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。
光通量
照度 亮度 光强度
• 什么是光通量？
光源在单位时间内发出的光的总量称光通量,以 F表示. 单位为流明(lm)
1w(波长555纳米）=683 流明
常见某些光源的光通量： 自行车头灯: 、3W 30 lm 白志灯: 75W 900 lm 荧光灯: ‘TL’D 58W 5200 lm
• 人眼的灵敏度和绿色植物光合作用
4.3、 LED灯具寿命的依赖度
LED寿命可以达到100000小时 ？ 这只是水平较高LED的理论数据，是省略了一些
边界条件（即理想条件）下的数据，而LED在真 正使用时还有很多因素影响其寿命，主要有以下 4个因素： 1、芯片 2、封装 3、灯具设计 4、电源
4.3.1、芯片 LED在制造过程中，其它杂质离子的污染、晶格缺陷等
(色温常识)表一
色温 大于 5000K 33005000K 左右 小于 3300K 光色 清凉（带蓝的 白色） 中间（接近自 然光） 气氛效果 清冷的感觉 三基色荧 光灯 水银灯 汞灯 荧光 三基色 灯 u 金卤灯 白炽灯 石英卤素 灯
无明显视觉心 理效果
温暖（带桔花 的白色）
温暖的感觉
色温(<3300K)较低的空 间
四、LED灯具寿命与信赖度
4.1、电子器件的寿命
在某一个特定电子器件个体发生失效之前
，难以标明其确切的寿命值，但明确了某 一批电子器件产品的失效率λ（t）特征后 ，就可以得到表征其可靠性的若干寿命特 征量，如平均寿命、可靠寿命、中位寿命 、特征寿命等
（1）平均寿命μ：指一批电子器件产品寿命
采用适当的照度，以便以最小的能量费用获得良好的视觉 外观效果。
照度、色温低的空间印象
绿色的线条内是基本 上让人感觉心情舒畅 的范围。（只从色温 和照度的视点）
照度低、显色指数低的 空间＝ 阴湿的空间印象。 阴郁的空间印象。
具有一个伏安特性，这个伏安特性有一个温度特性。其特 点就是当温度上升的时候，伏安特性左移。图4中画出了 LED的伏安特性的温度特性。 •假定对LED以Io恒流供 电，在结温为T1时，电 压为V1，而当结温升高 为T2时，整个伏安特性 左移，电流Io不变，电压 变为V2。这两个电压差 被温度去除，就可以得到 其温度系数，以mV/º C表 示。对于普通硅二极管， 这个温度系数大约为2mV/º C。但是LED大多 数不是用硅材料制成的， 所以它的温度系数也要另 外去测定。
的平均值。
1 μ MTTF λ
• （2）可靠寿命TR：指一批电子器件产品的可 靠度R（t）下降到γ时，所经历的工作时间。
TR
ln

（3）中位寿命：指产品的可靠度R（t）将为
50%时的寿命。
T 0 .5
ln 0.5

• （4）特征寿命：指产品的可靠度R（t）降为 1/e时的寿命。
• 什么是照度？
入射于被照物体单位面积上的光通量就 是照度。以E表示。单位为勒克斯 (lx=lm/m2)
* 照度与光通量入射到表面的方向无关。
• 通常室内外照度等级
(中午阳光下不同位置的照度)
100 lux 2500 lux 100 000 lux
5000 lux
10 000 lux
• 什么是亮度？
色温低 色温高
K值(色温)越低，光色越偏红。 K值(色温)越高，光色越偏蓝。
二、 显色性
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 也就接近自然色，显色性低的光源对颜色再现较差，我们所见到
的颜色偏差也较大，用显色指数（Ra）表示。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显 色指数各有相同， 如：高压钠灯的显色指数为Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60-90。 显色指数越接近100，显色性就越好。 如下图：不同显色指数下的物体所呈现出来的效果:
时地把LED产生的热散发出去。 通常LED是焊接到铝基板，而铝基板又安装到 散热器上，假如只能测量散热器外壳的温度， 那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包 括Rjc（结到外壳），Rcm（外壳到铝基板，其 实其中还应当包括薄膜印制版的热阻），Rms （铝基板到散热器），Rsa（散热器到空气） ，其中只要有一个数据不准确就会影响测试的 准确度。