家庭低压照明系统的设计.doc
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1、家庭低压照明系统的设计摘要基于家庭低压照明的必然发展需求,简要介绍LED的结构、种类、发展历史和开发应用。说明LED的工作原理和LED具有电气、光学和热学特性。LED具有:低电压,比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所;效能高,消耗能量少;适用性强,体积很小,可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境;稳定性好;响应时间短;对环境无污染;颜色多样等特点。LED的发展方向为:产品系列化、集成化、智能化及人性化;提高光通量利用率,最大限度的降低综合照明成本;解决大功率LED的散热技术,最大限度的延缓大功率LED的光衰。LED室内照明应用目前还在探索阶段,成本高和光谱质量问题有待解决,市
2、场前景广阔。关键词:低压;照明;LED;节能FAMILY OF LOW-VOLATGE LIGHTING SYSTEM DESIGNABSTRACTHome-based low-voltage lighting inevitable development needs, A brief introduction of the LED structure, the type of history and the development and application development. Description LED theory and LED work with electrical,
3、 optical and thermal characteristics. LED with: low-voltage, high voltage power supply than the use of the power supply more secure, in particular, apply to public places; high performance, low energy consumption; applicability, the volume is very small, can be prepared into various forms of devices
4、, and suitable for variable environment; stability; short response time; on the environment pollution-free; color characteristics of various.Direction for the development of LED: Product series, integration, intelligence and humanity; improve the luminous efficiency, the lower the maximum cost of a
5、comprehensive lighting; solution of the heat high-power LED technology, the maximum delay of the high-power LED light failure. LED lighting is also exploring the application of the current phase, and spectral quality of the high cost of issues to be resolved, the market prospects.Key words:low-volta
6、ge;illumination;lighte mitting diode;Energy Saving目录1、LED灯概述及LED节能灯的工作原理2、LED灯和普通照明等相比较的优势3、LED照明光源技术的应用前景、发展趋势及研究的方向和问题正文:前言:近年来,随着家用电器的种类越来越多以及家电的广泛普及,人们生活中所使用的工具趋向于电气化,因此家庭的用电量成倍增长,用电高峰频频发生,高额的电费逐渐使人们感到难以负担。所以节能用电成为了人类生活发展所必须解决的课题。许多家用电器在新产品的研发上也都要求了节能方面的特性。家庭生活中最常用的照明设备也不得不面临低压节能方面的改进。同时,现代人对生活居
7、住品质的高要求也难以让人们在房屋中仅仅使用单调的白炽灯来装饰。因此,家庭照明必须由新兴的、高性能的灯具所取代。LED作为一种新型的全固态照明器件,由于其具有省电(低电压,电流启动,相对于白炽灯省电约90%),无污染(完全无汞),性能稳定,响应快(小于60纳秒),寿命长(10万小时以上),发热量低(无热辐射),抗冲击,耐震动与成本低等众多优点,成为了新型照明灯具的首选材料,产生了LED节能灯。LED节能灯依据LED的特性还可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光,充分满足了人们对高品质家居生活多样彩色装饰照明灯的要求,从而使LED节能灯成为了现代照明的主要发展趋势,被誉为21世纪的绿色光
8、源。虽然,现在LED在室内照明领域的应用目前还处于探索阶段,一些技术方面的问题也有待解决,但是,LED室内照明无疑是一个非常巨大的市场,发展前景不容置疑。正文主体:1、 LED灯概述及LED节能灯的工作原理1.1、 LED概述1.1.1、 LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lighte mitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半
9、导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,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。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。11.1.2、 单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的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
10、=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和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。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)的光效可以达到50流明/瓦。
11、21.1.3、 LED的分类 1.1.3.1、 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 1.1.3.2、 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1;把5m
12、m的记作T-1(3/4);把4.4mm的记作T-1(1/4)。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 从发光强度角分布图来分有三类:高指向性(一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为520或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统)标准型(通常作指示灯用,其半值角为2045)散射型(这是视角较大的指示灯,半值角为4590或更大,散射剂的量较大) 1.1.3.3、 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 1.1.3.4、 按发光强度和工作电流分 按发光强度和
13、工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。 除上述分类方法外,还有按芯片材料分类及按功能分类的方法1.1.4、 单色光LED的应用最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在
14、新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,减少汽车追尾事故的发生。另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。1.1.5、白光LED的开发对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(p=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含
15、Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。目前白色LED的种类及其发光原理:目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉,其最好的发光效率约为25流明/瓦,YAG多为日本日亚公司的进口,价格在2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为
16、材料的白光LED,不过发光效率较差。某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉:即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉,在未来较被看好的是三波长光,即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉,用于封装LED白光,预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小,稳定性要求也高,具体应用方面还在探索之中。31.2、 LED节能灯的工作原理1.2.1、 LED发光机理PN结的端电压构成一定势垒,当加正向偏置电压时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多,所以会出现大量电子向P区扩散,构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空
17、穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。 1.2.2、 LED发光效率一般称为组件的外部量子效率,其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率,其实就是组件本身的电光转换效率,主要与组件本身的特性(如组件材料的能带、缺陷、杂质)、组件的垒晶组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子,在经过组件本身的吸收、折射、反射后,实际在组件外部可测量到的光子数目。因此,关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积,就是整个组件的发
18、光效果,也就是组件的外部量子效率。早期组件发展集中在提高其内部量子效率,主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构,使电能不易转换成热能,进而间接提高LED的发光效率,从而可获得70%左右的理论内部量子效率,但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。在这样的状况下,光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的,因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是:晶粒外型的改变TIP结构,表面粗化技术。 1.2.3、 LED电气特性电流控制型器件,负载特性类似PN结的UI曲线,正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化(指数级别),反向漏电流很小,有反向击穿电压。在
19、实际使用中,应选择 。LED正向电压随温度升高而变小,具有负温度系数。LED消耗功率 ,一部分转化为光能,这是我们需要的。剩下的就转化为热能,使结温升高。1.2.4、 LED光学特性LED提供的是半宽度很大的单色光,由于半导体的能隙随温度的上升而减小,因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长,即光谱红移,温度系数为+23A/ 。LED发光亮度L与正向电流 近似成比例: ,K为比例系数。电流增大,发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关,环境温度高时,复合效率下降,发光强度减小。 1.2.5、 LED热学特性小电流下,LED温升不明显。若环境温度较高,LED的主波长就会红移,亮度会下降,
20、发光均匀性、一致性变差。尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。所以散热设计很关键。 1.2.6、 LED寿命LED的长时间工作会光衰引起老化,尤其对大功率LED来说,光衰问题更加严重。在衡量LED的寿命时,仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的,应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命,比如35%,这样更有意义。 1.2.7、 大功率LED封装主要考虑散热和出光。散热方面,用铜基热衬,再连接到铝基散热器上,晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接,这种散热方式效果较好,性价比较高。出光方面,采用芯片倒装技术,并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能,这样可以获得更多
21、的有消出光。 1.2.8、 白光LED类自然光谱白光LED主要有三种:第一种是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光,这种白光成本最低,但是蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度,而且光谱呈带状较窄,色彩不全,色温偏高,显色性偏低,灯光对眼睛不柔和不协调。人眼经过进化最适应的是太阳光,白炽灯的连续光谱是最好的,色温为2500K,显色指数为100。所以这种白光还需要改进,比如加多发光过程来改善光谱,使之连续且足够宽。第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光,发光原理类似于日光灯,该方法显色性更好,而且UV-LED不参与白光的配色
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