畢業(yè)設(shè)計(jì)---led照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、<p>　　學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告</p><p>　　系 別： 電子與電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 微電子技術(shù) </p><p>　　班 號(hào)： </p><p>　　學(xué) 生 姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： LED照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn)：常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 </p><p>　　起

3、迄 日 期： 2010.5.4——2010.7.3 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　專業(yè) 微電子技術(shù) 班級(jí) 姓名 </p><p>　　一、課題名稱： LED照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

4、 </p><p>　　二、主要技術(shù)指標(biāo)1、光效，理論上最大光效：683lm/W；2、色溫分級(jí)：暖色（<3300K）、中間色（3300K—300K）、 冷色（>5300K）；3、照度，低照度（約100—200lx以下）用暖色溫，中照度（約200—750lx）用中色溫；4、LED的顏色；5、LED的電流：一般小功率的LED的正向極限電流多在20mA。但大功率L

5、ED的功率至少在1W以上，目前比較常見的有1W、3W、5W、8W和10W。1W LED的額定功率為350mA,3W LED的750mA；6、LED的正向電壓：LED的正極接電源正極,負(fù)極接電源負(fù)極；7、LED的反向電壓：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞；8、LED發(fā)光強(qiáng)度：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(qiáng)(度)，單位為坎德拉（cd）；9、LED光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出

6、的光量稱為光源的發(fā)光通量。單位為流明(lm)；10、LED光照度：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度.，單位為勒克斯(lx)；11、LED的使用壽命：LED一般可以使用50,000小時(shí)以上； </p><p>　　三、工作內(nèi)容和要求：1、論述LED的發(fā)展史2、研究LED器件的光學(xué)特性、熱學(xué)特性、電學(xué)特性和工作原理。3、LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)4、分析PN結(jié)溫度升高對(duì)LED性能的影響

7、，討論LED燈具散熱的重要性，研究LED燈具的散熱途徑。5、分析LED照明系統(tǒng)模型并分析其組成部分——燈具、光源、控制器。最后，對(duì)全文的工作進(jìn)行總結(jié)。 </p><p>　　四、主要參考文獻(xiàn)： </p><p>　　[1] 劉恩科，朱秉升，羅晉生等

8、 .半導(dǎo)體物理學(xué)．西安交通大學(xué)出版社 第7版,180--364 </p><p>　　[2] 王曉明，郭偉玲，高國(guó)，沈光地．LED—— 新一代照明光源．現(xiàn)代顯示，2005版，68--120</p><p>　　[3] 趙清泉，夏曉玲．半導(dǎo)體發(fā)光二極管的應(yīng)用及其前景．大眾科技，20

9、05版，35--89 </p><p>　　[4] 周太明，電器照明設(shè)計(jì).上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2001 年11 月 ，24--140 </p><p>　　學(xué) 生（簽名） 年 月 日</p><p>　　指 導(dǎo) 教師（簽名） 年

10、 月 日 </p><p>　　教研室主任（簽名） 年 月 日</p><p>　　系 主 任（簽名） 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告</p><p><b>　　目錄</b><

11、;/p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　第1章 前言…………………………………………………………..………….1</p><p>　　第2章 LED的發(fā)展及其基本知識(shí)………………………………………………1</p>

12、<p>　　2.1 LED的發(fā)展歷程………………………………………………………………1</p><p>　　2.2 LED的工作原理、特性及其分類……………………………………………3</p><p>　　第3章 LED照明系統(tǒng)的散熱性研究……………………………………………7</p><p>　　3.1 LED的結(jié)溫………………………………………………

13、……………………7</p><p>　　3.1.1 LED結(jié)溫的產(chǎn)生……………………………………………………………7</p><p>　　3.1.2 結(jié)溫對(duì)LED的影響…………………………………………………………8</p><p>　　3.2 LED的熱阻……………………………………………………………………10</p><p>　　3.2.1

14、 LED照明的熱阻模型及其構(gòu)成特點(diǎn)………………………………………11</p><p>　　3.2.2 熱阻對(duì)LED芯片尺寸的影響………………………………………………12</p><p>　　3.2.3 常用熱阻測(cè)試方法…………………………………………………………12</p><p>　　3.2.4 減少LED熱阻值方法………………………………………………………13&

15、lt;/p><p>　　3.2.5 LED照明燈具散熱系統(tǒng)研究………………………………………………14</p><p>　　第4章 LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)………………………………………………16</p><p>　　4.1 照明用LED主要技術(shù)特性……………………………………………………16</p><p>　　4.2 LED驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)……

16、………………………………………………………17</p><p>　　4.2.1 LED驅(qū)動(dòng)電路的基本原理…………………………………………………17</p><p>　　4.2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路的要求………………………………………………………19</p><p>　　4.2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)………………………………………………………21</p>

17、<p>　　第5章 LED照明系統(tǒng)的組成……………………………………………………28</p><p>　　5.1 LED的照明燈具………………………………………………………………28</p><p>　　5.1.1 LED燈具的特點(diǎn)……………………………………………………………28</p><p>　　5.1.2 LED燈具的功能……………………………

18、………………………………29</p><p>　　5.1.3 LED燈具的基本介紹………………………………………………………29</p><p>　　5.1.4 LED燈具設(shè)計(jì)的指標(biāo)………………………………………………………30</p><p>　　5.2 光源……………………………………………………………………………31</p><p>　

19、　5.3 驅(qū)動(dòng)器…………………………………………………………………………33</p><p>　　第6章 LED照明系統(tǒng)的簡(jiǎn)單應(yīng)用………………………………………………34</p><p>　　第7章 結(jié)束語(yǔ)……………………………………………………………………37</p><p><b>　　答謝辭</b></p><p&

20、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在當(dāng)今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢(shì)所趨。同時(shí)，國(guó)家也大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，已結(jié)束的2008年北京奧運(yùn)會(huì)和正在舉辦的2010年上海世博會(huì)都不約而同地以綠色節(jié)能為主題，這就給中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的歷史機(jī)遇。LED與傳統(tǒng)光源相比，

21、具有節(jié)能、環(huán)保、響應(yīng)時(shí)間短、效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、抗震性好等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，因而受到人們的青睞,也成為當(dāng)前各國(guó)半導(dǎo)體照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文圍繞LED用于照明燈的散熱設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、燈具設(shè)計(jì)、照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,具體完成的工作歸納如下：1.研究了LED器件的光學(xué)特性、熱學(xué)特性、電學(xué)特性。分析了LED的工作原理，對(duì)各項(xiàng)性能的研究。2.分析了PN結(jié)溫度升高對(duì)LED性能的影響，討論了LED燈具散熱的重要性,研究了LED燈具的散熱途徑。

22、分析了LED的熱阻及其模型，熱阻的測(cè)試和減小熱阻的方法。3.分析了LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究了LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、燈具設(shè)計(jì)，討論了驅(qū)動(dòng)電路的工作原理和設(shè)計(jì)要求、燈具的設(shè)計(jì)功能和指標(biāo)，通過(guò)燈具、光源、驅(qū)動(dòng)器組成了一個(gè)照明系統(tǒng)。最后，對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：LED；照明系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)電路；散熱；</p><p><b>　　Abstract</b

23、></p><p>　　In today's environment of global energy shortage, energy conservation has become a trend. The state advocate energy saving, has ended the 2008 Beijing Olympic Games and is being held in Wor

24、ld Expo 2010 Shanghai Coincidentally, both the green energy theme this to the development of China's LED lighting industry brought great historical opportunity . Compared with the traditional light source LED, energy

25、 saving, environmental protection, response time, high efficiency, small size, long life and go</p><p>　　Keywords: LED；Lighting System；Drive circuit；Cooling</p><p><b>　　第1章 前言</b>&l

26、t;/p><p>　　LED被認(rèn)為是21 世紀(jì)的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10%，熒光燈的50%。LED壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用LED 替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無(wú)污染。使用安全可靠，便于維護(hù)。我國(guó)照明用電占總發(fā)電量的12%。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動(dòng)開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒(méi)有及時(shí)開關(guān)的現(xiàn)象，從而造成大量的能

27、源浪費(fèi)和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會(huì)縮短燈具的使用壽命。</p><p>　　第2章 LED的發(fā)展及其基本知識(shí) </p><p>　　LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由

28、兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光</p><p>　　的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。 </p><p>　　

29、2.1 LED的發(fā)展歷程</p><p>　　圖2-2LED發(fā)展史歷程</p><p>　　1907年Henry Joseph Round 第一次在一塊碳化硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應(yīng)用；研究被摒棄了。二十年代晚期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德國(guó)使用從鋅硫化物與銅中提煉的的黃磷發(fā)光。再一次因發(fā)光暗淡而停止。</p&g

30、t;<p>　　1936年,George Destiau出版了一個(gè)關(guān)于硫化鋅粉末發(fā)射光的報(bào)告。隨著電流的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)識(shí)，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 LED光源的正式問(wèn)世是在上世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λp=650nm），在驅(qū)動(dòng)電流為20毫安時(shí)，光通量只有千分之幾個(gè)流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。</p><p>　　70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠

31、光（λp=555nm）、黃光（λp=590nm）和橙色光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。 </p><p>　　80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。</p><p>　　90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的發(fā)光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)

32、（λp=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的發(fā)光效率可以達(dá)到50流明/瓦。</p><p>　　LED以其固有的特點(diǎn)，如省電、壽命長(zhǎng)、耐震動(dòng)，響應(yīng)速度快、冷光源等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號(hào)燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機(jī)、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號(hào)燈等。但由于其亮度差、價(jià)格昂貴等條件的限制，無(wú)法作為通用光源推廣應(yīng)用

33、。 </p><p>　　近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進(jìn)步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進(jìn)展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實(shí)現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場(chǎng)成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之

34、一。 </p><p>　　目前在美國(guó)，戶外照明所消耗的電量約占其總發(fā)電量的4.4%。正是基于這一情況，美國(guó)眾議院最近提出了一份新議案，要求逐步淘汰能效低下的舊技術(shù)(如白熾燈和鹵素?zé)?，為能效更高、更具成本效益的新照明技術(shù)(如高亮度LED)的發(fā)展鋪平道路。</p><p>　　在全球范圍內(nèi)，上至政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，下至普通大眾都在積極尋求降低能耗的有效途徑。最初的嘗試主要放在容易實(shí)現(xiàn)

35、的目標(biāo)上，比如選擇適當(dāng)?shù)淖≌魺岵牧稀⑹褂锰?yáng)能板以及節(jié)約能源等。如今，已有相對(duì)完善的法律規(guī)定，要求我們必須使用高能效的白色家電、適配器和充電器、消費(fèi)類電子產(chǎn)品以及辦公設(shè)備。近些年來(lái)，隨著高亮度LED成本的不斷下降，人們也開始對(duì)諸如標(biāo)準(zhǔn)家用燈泡等以前所接受的產(chǎn)品重新進(jìn)行評(píng)估。在許多國(guó)家(包括美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、愛爾蘭和澳大利亞)，新制定的能效標(biāo)準(zhǔn)已上升為法律，將有效禁止白熾照明的繼續(xù)使用。</p><p>　　美國(guó)

36、眾議院加利福尼亞州第36號(hào)選區(qū)議員Jane Harman在2009年3月26日發(fā)表演講，提出了一項(xiàng)“戶外照明能效法案”，該法案計(jì)劃通過(guò)解決街道照明問(wèn)題來(lái)逐步淘汰標(biāo)準(zhǔn)燈泡。新提案獲得眾議院通過(guò)后，第一期標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)于2011年制定完成，隨后的標(biāo)準(zhǔn)將分別于2013年和2015年制定完成。屆時(shí)，美國(guó)能源部將會(huì)進(jìn)一步提高能效標(biāo)準(zhǔn)。該法案還要求戶外照明燈的亮度必須是可控制的，以便于用戶更改它們的發(fā)光量，原因是人們?cè)邳S昏和深夜時(shí)分所需要的亮度水平是不同

37、的。這一功能非常重要，因?yàn)樗鼘①x予城市、縣鎮(zhèn)和其他用戶對(duì)其用電水平更大的控制權(quán)。這項(xiàng)法案參照了加利福尼亞州已實(shí)施的相關(guān)法律以及其他州早已通過(guò)的戶外照明標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　LED燈最早亮相街頭要追溯到上世紀(jì)90年代，那時(shí)，城市當(dāng)局開始使用固態(tài)照明設(shè)計(jì)來(lái)替換白熾交通信號(hào)燈。為了實(shí)現(xiàn)LED交通信號(hào)燈在其街道照明系統(tǒng)中的能源及維護(hù)節(jié)省，許多城市紛紛開展了范圍廣泛的LED路燈試驗(yàn)。</p><p

38、>　　2.2 LED的工作原理、特性及其分類</p><p>　?。ㄒ唬㎜ED發(fā)光原理 </p><p>　　發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注

39、入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖2-3所示。</p><p>　　假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高

40、。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生。 </p><p>　　理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng)λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Ｅg有關(guān)，即</p><p>　　λ≈1240/Eg（mm） </p><p>　　式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～

41、1.63eV之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍。 </p><p>　?。ǘ㎜ED的特性 </p><p>　　1．極限參數(shù)的意義 </p><p>　　（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。 </p>

42、<p>　?。?）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值可損壞二極管。 </p><p>　?。?）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。</p><p>　　（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 </p><

43、p><b>　　2．電參數(shù)的意義 </b></p><p>　　（1）光譜分布和峰值波長(zhǎng)：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)大體按圖2所示。 </p><p>　　由圖2-4可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長(zhǎng)λ0的光強(qiáng)最大，該波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)。 </p><p>　　（2）發(fā)光強(qiáng)度IV：發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線（對(duì)圓柱形發(fā)光

44、管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉(mcd)作單位。 </p><p>　?。?）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度.是指圖3中1/2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長(zhǎng)之間隔. </p><p>　?。?）半值角θ1/2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與

45、發(fā)光軸向（法向）的夾角。 </p><p>　　半值角的2倍為視角（或稱半功率角）。</p><p>　　圖2-5給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線）AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度（即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比）。顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小。由此圖可以得到半值角或視角值。 </p><p>　

46、?。?）正向工作電流If：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·IFm以下。 </p><p>　?。?）正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的。一般是在IF=20mA時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1.4～3V。在外界溫度升高時(shí)，VF將下降。</p><p>　?。?）V-I特性：發(fā)光二極管的電壓與電流

47、的關(guān)系可用圖2-6表示。</p><p>　　在正向電壓正小于某一值（叫閾值）時(shí)，電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過(guò)某一值后，正向電流隨電壓迅速增加，發(fā)光。由V-I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù)。正向的發(fā)光管反向漏電流IR<10μA以下。 </p><p>　?。ㄈ㎜ED的分類 </p><p>　　1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分 </p&g

48、t;<p>　　按發(fā)光管發(fā)光顏色分，可分成紅色、橙色、綠色（又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。 </p><p>　　根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無(wú)色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無(wú)色透明、有色散射和無(wú)色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。 </p><p>　　2．按發(fā)光管出光面特征

49、分 </p><p>　　按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。國(guó)外通常把φ3mm的發(fā)光二極管記作T-1；把φ5mm的記作T-1（3/4）；把φ4.4mm的記作T-1（1/4）。 </p><p>　　由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況。從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來(lái)分

50、有三類： </p><p>　?。?）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。 </p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。 </p><p>　?。?）散射型。這是

51、視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。 </p><p>　　3．按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 </p><p>　　按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　4．按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分 </p><p>　　按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通

52、亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度<10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強(qiáng)度>100mcd）；把發(fā)光強(qiáng)度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。 </p><p>　　一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。 </p><p>　　除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法。</p><p&

53、gt;　　第3章 LED照明系統(tǒng)的散熱性研究</p><p>　　LED在工作時(shí)會(huì)大量發(fā)熱，散熱不良將導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升，環(huán)氧樹脂炭化變黃，LED加速光衰，降低了LED的壽命，因而要解決散熱問(wèn)題。常用鋁質(zhì)基來(lái)給LED散熱，這就牽涉到絕緣問(wèn)題，如果絕緣不好會(huì)導(dǎo)致大量LED不通或者損毀。另外，用于隧道、偏遠(yuǎn)地區(qū)等潮濕、灰塵大的場(chǎng)合還要考慮放水、防塵等工藝。</p><p>　　LED器件的

54、散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。</p><p>　　3.1 LED的結(jié)溫</p><p>　　LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上

55、升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.1.1 LED結(jié)溫的產(chǎn)生</p><p>　　LED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的P-N結(jié)。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)電流流過(guò)LED器件時(shí)，P-N結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把P-N結(jié)區(qū)的溫度視之為結(jié)溫。通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把

56、LED芯片的溫度視之為結(jié)盟。在LED工作時(shí)，可存在以下四種情況促使結(jié)溫不同程度的上升：</p><p>　　1、器件不良的電極結(jié)構(gòu)，窗口層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構(gòu)成LED器伯的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過(guò)P-N結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過(guò)這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或結(jié)溫的升高。</p><p>　　2、由于P-N結(jié)不可能極端完美，器件的注入效率不會(huì)達(dá)

57、到100%，也即是說(shuō)，在LED工作時(shí)除P區(qū)向N區(qū)注入電荷（空穴）外，N區(qū)也會(huì)向P區(qū)注入電荷（電子），一般情況下，后一類的電荷注入不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會(huì)全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合，最終也會(huì)變成熱。</p><p>　　3、實(shí)踐證明，出光效率的限制是導(dǎo)致LED結(jié)溫升高的主要原因。目前，先進(jìn)的材料生長(zhǎng)與器件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光

58、輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子（>90%）無(wú)法順利地溢出界面，而在芯片與介質(zhì)面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通過(guò)多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。</p><p>　　4、顯然，LED器件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一個(gè)關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差時(shí)結(jié)溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱

59、導(dǎo)材料，因此P-N結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響器件的熱散失效率。一個(gè)普通型的LED，從P-N結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300-600℃/w之間，對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型LED器件，其總熱阻約為15-30℃/w。巨大的熱阻差異表明普通型器件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚

60、至更高。</p><p>　　3.1.2 結(jié)溫對(duì)LED的影響</p><p>　?。?）對(duì)LED光輸出的影響</p><p>　　實(shí)驗(yàn)指出，LED的光輸出均明顯依賴于器件的結(jié)晶。當(dāng)LED的結(jié)溫升高時(shí)，器件的輸出光強(qiáng)度將逐漸減小，而光結(jié)溫下降時(shí)，光輸出強(qiáng)度將增大。</p><p>　　表（3-1）列出了相對(duì)于25℃而言100℃結(jié)溫時(shí)不同波長(zhǎng)響

61、應(yīng)的InGaAlP與InGaN LED的光輸出通量的相對(duì)變化值。這種變化的數(shù)字表達(dá)式如式（1-1）所示</p><p>　　φv(T2 )= φv(T1)e-k△T (1-1)</p><p>　　其中φv(T2 )與φv(T1)分別表示結(jié)溫T2與T1的光通量輸出，k為溫度系數(shù)，△T= T2 - T1 。一般情況下，K值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，對(duì)

62、于InGaAlP LED,K值約為1×10-2，隨發(fā)光波長(zhǎng)的變短略有增加。式（1-2）指出了光輸出通量結(jié)溫變化的另一種表示形式</p><p>　　φT2=φT1e-( T2- T1 /T0) (1-2)</p><p>　　表3-1 100℃結(jié)溫時(shí)相對(duì)于25℃結(jié)溫LED光通量的相對(duì)變化</p><

63、p>　　這里T0表一種特征溫度，T值與材料有關(guān)。實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于紅色的InGaAlP LED，T0 =85℃，對(duì)于琥珀色I(xiàn)nGaAlP LED，T0 ≈55℃。而對(duì)于InGaN LED，T0 值約為840℃，表明InGaN器件的溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于發(fā)紅、黃光的InGaAlP器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率比InGaAlP小得多。</p><p>　　一般情況下，光輸出通量隨結(jié)溫的增加而減小的效應(yīng)是可逆的，也即

64、當(dāng)溫度回復(fù)到初始溫度時(shí)，光輸出通量會(huì)有一個(gè)恢復(fù)性的增長(zhǎng)。這種效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制顯然是由于材料的一些相關(guān)參數(shù)會(huì)隨溫度變化，從而導(dǎo)致器件參數(shù)的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會(huì)增加，禁帶寬度會(huì)變小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必定引致器件輸出光通量的改變。然而當(dāng)溫度恢復(fù)至初態(tài)時(shí)，器件參數(shù)的變化也將隨之消失，輸出光通量也會(huì)回復(fù)至初態(tài)值。</p><p>　　（2）對(duì)發(fā)光波長(zhǎng)和顏色的影響</p>&

65、lt;p>　　LED的發(fā)光波長(zhǎng)一般可分成峰值波長(zhǎng)與主波長(zhǎng)二類，前者表示光強(qiáng)最大的波長(zhǎng)，而主波長(zhǎng)可由X、Y色度坐標(biāo)決定，反映了人眼可感知的顏色。顯然，結(jié)溫所引致的LED發(fā)光波長(zhǎng)的變化將直接造成人眼對(duì)LED發(fā)光顏色的不同感受。對(duì)于一個(gè)LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長(zhǎng)或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導(dǎo)體，它們的性質(zhì)與GaAs相仿，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長(zhǎng)變

66、長(zhǎng)，顏色發(fā)生紅移。通?？蓪⒉ㄩL(zhǎng)隨結(jié)溫的變化表示如下：</p><p>　　λ（T2）=λ（T1）+ΔTK（nm/℃） （1-3） </p><p>　　其中：λ（T2） 結(jié)溫T2時(shí)的波長(zhǎng)</p><p>　　λ（T1） 結(jié)溫T1時(shí)的波長(zhǎng)</p><p>　　Kd，Kp 主波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化系數(shù)&

67、lt;/p><p>　　表3-2 LED波長(zhǎng)偏移系數(shù)</p><p>　　表3-2指出了InGaAlP與InGaN器件主波長(zhǎng)與峰值波長(zhǎng)的K值，由表可知，對(duì)于InGaN與InGaAlPLED，峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化要大于主波長(zhǎng)隨溫度的變化，其中InGaAlPLED尤甚。</p><p>　　人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的顏色感知靈敏度是存在著很大差異的，在藍(lán)、綠、黃區(qū)域，很小的波長(zhǎng)變化

68、就將引致人眼感覺(jué)上的變化，從而對(duì)藍(lán)、綠、黃器件的溫升效應(yīng)提出了更高的要求，一般來(lái)說(shuō)，2-5nm的波長(zhǎng)變化人眼就可以感覺(jué)到，而對(duì)紅光波長(zhǎng)的變化，人眼的感覺(jué)就要相對(duì)遲鈍一些，但也能感覺(jué)到15nm的波長(zhǎng)差異。為定量地表明人眼對(duì)不同波長(zhǎng)顏色的感知程度，有些公司的產(chǎn)品將顏色倉(cāng)的波長(zhǎng)間隔分得很細(xì)，僅為2-3nm，但對(duì)于紅色區(qū)域，其間隔擴(kuò)大到15nm。這就是說(shuō)，為什么對(duì)黃色交通信號(hào)燈的顏色標(biāo)定與均勻度的要求較高，而紅色交通信號(hào)燈的顏色要求相對(duì)要低得多

69、。</p><p>　　（3）LED的正向電壓與結(jié)溫之間存在的關(guān)系</p><p>　　正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參量，它的數(shù)值取決于半導(dǎo)體材料的特性、芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。相對(duì)于20mA的正向電流，通常InGaAlP LED的正向電壓在1.8V～2.2V之間，而發(fā)藍(lán)、綠光的InGaN LED的正向電壓處在3.0V～3.5V之間。在小電流近似下，LED器件的正向壓降

70、由式（1-4）表示：</p><p>　　V1 =（nkT/q）In（I1 /I0）+RsIf (1-4)</p><p>　　式中V1 為正向電壓、If為正向電流，I0 為反向飽和電流，q為電子電荷，K是玻爾茲曼常數(shù)，Rs是串聯(lián)電阻，n是表征P-N結(jié)完美性的一個(gè)參量，處在1-2之間。分析式（1-3）的右邊發(fā)現(xiàn)，只是反向飽和

71、電流I0與溫度密切相關(guān)，I0 值隨結(jié)溫的升高而增大，導(dǎo)致正向電壓 V1 值下降，實(shí)驗(yàn)指出，在輸入電流恒定的情況下，對(duì)于一個(gè)確定的LED器件，二 正向壓降與溫度的關(guān)系可由式（1-5）表示：</p><p>　　VfT =VfT0+K（T-T0 ） (1-5)</p><p>　　式中VfT與V fT0分別表示結(jié)溫為T與T0時(shí)的正向壓降，

72、K是壓降隨溫度變化的系數(shù)對(duì)于InGaAlP與InGaAlP與InGaN LED其K值大致可由表1-3所示。</p><p>　　表3-3 InGaAlP與InGaN LED的電壓溫度系數(shù)</p><p>　　溫度的變化是可恢復(fù)的，但在高溫情況下，由于結(jié)區(qū)缺陷與雜質(zhì)的大量增殖與集聚，也將造成額外復(fù)合電流的增加，而使正向電壓下降，甚至出現(xiàn)惡性循環(huán)。通常，恒流是LED工作的較好的模式，如在恒壓

73、條件下，由于溫升效應(yīng)使正向電壓下降與正向電增加，并形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致器件損壞。</p><p>　　3.2 LED的熱阻</p><p>　　通常將二個(gè)節(jié)點(diǎn)間單位熱功率輸運(yùn)所產(chǎn)生的溫度差定義為該二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：</p><p>　　R0=ΔT/PD （1-6）&l

74、t;/p><p>　　其中R0為節(jié)點(diǎn)1與2之間的熱阻，ΔT為節(jié)點(diǎn)1與2之間的溫差，PD為二點(diǎn)間的熱功率流，熱阻的單位為℃/W，即二點(diǎn)間流過(guò)單位熱功率流（W）所產(chǎn)生的溫度差。顯然，熱阻R0越大，散熱能力越差；反之，R0越小，散熱能力越強(qiáng)。當(dāng)電功率W=VF?IF施加到LED上后，在器件的P-N結(jié)處將會(huì)產(chǎn)生大量的熱，致使芯片溫度迅速升高。由于器件良好的熱特性，大部分熱量將通過(guò)銀漿、管殼、散熱基板、PCB散發(fā)到周圍環(huán)境中去，

75、從而抑制了器件芯片的升溫。</p><p>　　類同于電學(xué)中的電阻特性，熱阻也存在著相同的運(yùn)算法則。當(dāng)n個(gè)熱阻R01，R02……R0n相串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)的總熱阻為所有熱阻值的相加，即</p><p>　　R0總= R01+ R02+ R03+……+R0n （1-7）</p><p>　　當(dāng)n個(gè)熱阻R01、R02、R03…

76、…R0n相并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)總熱阻的倒數(shù)等于各個(gè)熱阻的倒數(shù)之和。</p><p><b>　　即</b></p><p>　　1/R0總= 1/R01+ 1/R02+ 1/R03+……1/+R0n （1-8）</p><p>　　顯然，熱阻是熱學(xué)中的一個(gè)重要參量，實(shí)驗(yàn)上，只要我們測(cè)得二節(jié)點(diǎn)間的熱功率流以及二個(gè)

77、節(jié)點(diǎn)處的溫度，我們就可根據(jù)式（1-6）求得該二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻。同樣，只要知道某系統(tǒng)二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的熱阻與熱功率流數(shù)值，我們就可以求得二點(diǎn)間的溫差，并且可以根據(jù)某點(diǎn)處的溫度，求得另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值。</p><p>　　3.2.1 LED器件的熱阻模型及其構(gòu)成和特點(diǎn) </p><p>　　從LED器件的結(jié)構(gòu)，可以建立它的熱阻構(gòu)成的模型。圖3-1是一個(gè)典型的LED器件結(jié)構(gòu)示意圖。由圖知，暫不計(jì)L

78、ED芯片有源層到襯底間的熱阻，則芯片內(nèi)部主要是襯底的熱阻，我們用RθS來(lái)表示；第二，襯底與引線支架間由于存在粘結(jié)層，因此襯底到支架有一個(gè)粘結(jié)材料引人的熱阻，用Rθx來(lái)表示；第三，安放芯片的支架到自由空間的熱阻Rθf(wàn)，這三個(gè)熱阻構(gòu)成LED芯片PN結(jié)到空氣之間的總熱阻Rθ，于是：

79、 </p><p>　　(1)襯底到支架的熱阻。</p><p>　　假定芯片襯底是一個(gè)200μm的正方形，銀膠的厚度為100μm,已知銀膠的導(dǎo)熱</p><p>　　系數(shù)為20W/m*k,可求得芯片襯底到支架的熱阻為：</p><p>　　Rθx=h/ρ銀膠

80、*s=0.1mm/20W/m*k*0.2mm*0.2mm≈125℃/W</p><p>　　(2)LED襯底的熱阻。</p><p>　　若LED襯底是GaAs，則ρGaAs≈18W/m*k,當(dāng)厚度為0.2mm時(shí)，襯底的熱阻：</p><p>　　RθS=0.2mm/18W/m*k*0.2*0.2*10-8M2≈138℃/W</p><p>

81、<b>　　(3)支架的熱阻。</b></p><p>　　鐵支架到空氣的熱阻可求得為4.2℃/W，這個(gè)LED的總熱阻Rθ=RθS+Rθx+Rθf(wàn)=267℃/W。這個(gè)LED當(dāng)使用環(huán)境溫度為65℃時(shí)，它最多能承受的電功率小于0.2W。</p><p>　　上面討論中，還未計(jì)人芯片有源層本身的熱阻，只是這一層比較薄，盡管也是GaAs材料，由于厚度公幾十微米，其熱阻較襯底4

82、～5倍，約在30℃/W左右?？梢钥闯?，普通封裝的LED其總熱阻在300℃/W左右，只適用于小功率使用。</p><p>　　根據(jù)上述的熱阻模型，LED的熱阻的主要貢獻(xiàn)在于襯底和襯底到支架間的粘合材料引起的熱阻，對(duì)于功率LED要降低熱阻除加大襯底面積（即芯片面積）外，用高導(dǎo)熱系數(shù)材料作襯底，及用高導(dǎo)熱系數(shù)的合金材料作粘結(jié)料是降低LED熱阻的主要途徑。例如，用導(dǎo)熱系數(shù)為75W/M*K的硅材料作襯底，在芯片面積為1mm

83、2,硅襯底厚度為0.8mm時(shí)，襯底的熱阻RθS為：</p><p>　　RθS=h/ρsi*s=0.3*10-3/75*1*10-6≈4℃/W</p><p>　　這就比常規(guī)0.2mm*0.2mm面積的GaAs襯底熱阻低得多。若再用純錫（Sn）作襯底與支架的焊料時(shí)，粘結(jié)層熱阻Rθx就為：</p><p>　　Rθx=h/ρsi*s=0.2*10-3/76W/m*k*

84、1*10-6≈2.6℃/W</p><p>　　這樣，功率LED的總熱阻有望可以控制在4～6℃/W以內(nèi)， 此時(shí)熱阻主要貢獻(xiàn)在于芯片材料本身。目前已有熱阻低于40℃/W的封裝，但這要求LED芯片在襯底材料和粘合材料上改進(jìn)，前者用硅作襯底，后者用AuSn或鉛錫（PbSn）等合金材料用合金工藝來(lái)將芯片粘結(jié)在引線支架上，取代常規(guī)的銀膠。</p><p>　　3.2.2 熱阻對(duì)LED芯片尺寸的影響

85、 </p><p>　　倒裝焊更有利于散熱，但凸焊點(diǎn)的熱阻還需減小。</p><p>　　導(dǎo)熱銀膠的熱阻有待改善。</p><p>　　封裝材料方面，傳統(tǒng)的環(huán)氧膠高溫性能不佳。</p><p>　　圖3-2 熱阻對(duì)LED芯片影響</p><p>　　功率芯片尺寸的增加受限于器件導(dǎo)熱能力；</p><

86、p>　　常規(guī)的工藝與材料，則芯片功率1瓦較為合適；</p><p>　　單個(gè)器件功率的增加將以縮短壽命為代價(jià)；</p><p>　　3.2.3 常用熱阻測(cè)試方法</p><p>　　根據(jù)LED的熱阻公式：</p><p>　　Rθ= △ T / W （1-10）</p><p

87、>　　式中，△T結(jié)=T— T環(huán)境 ，W為輸入電功率，一般情況下，W=V*I，其中V是外加電壓，I為正向電流。由于式（1-10）中，T 是可以測(cè)得的，W也可通過(guò)計(jì)算求得。因此我們只要測(cè)出PN結(jié)T，就可以求得LED的總熱阻值Rθ，一個(gè)簡(jiǎn)單而直接的辦法是采用微型熱偶或紅外測(cè)溫顯微鏡，直接測(cè)得LED芯片表面的溫度，并將此溫度視為芯片結(jié)溫。然而，此方法顯然有些粗糙，并且對(duì)于一個(gè)現(xiàn)成的LED管難于直接測(cè)量芯片表面的溫度。通?？衫么_定電流下的

88、正向偏壓與結(jié)溫之間正比變化的關(guān)系來(lái)判定LED的結(jié)溫。</p><p>　　根據(jù)PN結(jié)的電流公式，LED的VF可以表示為：</p><p>　　VF=KT/q*InIF/IF(0)=KT/q*C （1-11）</p><p>　　式中用C=In IF/IF(0)，當(dāng)IF為常數(shù)（即恒流情況下）時(shí)C為常數(shù)。對(duì)（1-11）式求溫度T的導(dǎo)數(shù)可以得

89、：</p><p>　　dVF / dT = k / q * C （1-12） </p><p>　　對(duì)一個(gè)LED來(lái)講，（1-12）式是線性關(guān)系，大量測(cè)試證明LED的VF溫度系數(shù)：</p><p>　　dVF/dT ≈－1.8 –mv/℃～－2mv℃范圍內(nèi)的負(fù)溫度系數(shù)，基本上是一個(gè)可預(yù)知的數(shù)。一般可取dVF/DT=－2mv/°

90、,作工程近似計(jì)算數(shù)值。</p><p>　　我們?cè)诒粶y(cè)LED上施加不足以引起PN結(jié)溫升的恒定較小的電流（例如IF=1MA），并將被測(cè)LED放置在溫度可調(diào)節(jié)的恒溫槽（或箱）內(nèi)測(cè)出不同Tj下的VF值。可以發(fā)現(xiàn)它符合（1-12）式的規(guī)律，可做由圖1所示的VF－T 曲線：</p><p>　　假設(shè)被測(cè)LED在Tj = 100℃時(shí)，其VF=1.7V,在20℃時(shí),其VF = 1.7V80℃*2mv/℃

91、=1.86V。</p><p>　　第二步可以對(duì)被測(cè)LED在常溫下施加足夠大的電功率P0，使其溫生提高，當(dāng)達(dá)到溫度平衡時(shí)，此時(shí)快速切斷這一電功率，并轉(zhuǎn)換成IF在小電流狀態(tài)，迅速測(cè)出其VF，例如測(cè)得VF=1.70V，則可以知道，在功率P0使然下，LED PN 結(jié)溫上升達(dá)到100℃，p0作用下溫度從常溫25℃上升到Tj=100℃。于是就可以計(jì)算出這個(gè)LED PN結(jié)到空氣間的熱阻（總熱阻）假設(shè)P0=1W時(shí)有：</

92、p><p>　　Rθ=△Tj/P4=（100℃－25℃）/1W=75℃/W</p><p>　　以上就是測(cè)量熱阻的一個(gè)更為常用的方法。</p><p>　　3.2.4 減小LED的熱阻值方法</p><p>　　對(duì)于一個(gè)LED管，設(shè)法降低PN結(jié)與應(yīng)用環(huán)境的熱阻是提高器件散熱能力的根本途徑。由于環(huán)氧膠是低熱導(dǎo)材料，因此PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)透

93、明環(huán)氧向上散熱到環(huán)境中去、大部分熱量通過(guò)襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘結(jié)層、PCB與熱沉向下發(fā)散。顯然、相關(guān)材料的導(dǎo)熱能力將直接影響器件的熱阻與散熱性能。</p><p>　　表3-4 LED襯底材料的熱導(dǎo)系數(shù)：</p><p>　　表3-5常用熱沉材料的熱導(dǎo)系數(shù)：</p><p>　　表3-4、表3-5指出了若干常用的襯底與熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)值。銀漿與環(huán)氧的數(shù)據(jù)未在表中

94、列出，他們的導(dǎo)熱系數(shù)值分別為20–30 w/m·k與15–25 w/m·k。知道了材料的熱導(dǎo)系數(shù)，即可根據(jù)下式計(jì)算熱阻值：</p><p><b>　　Rθ=h/ρ*s</b></p><p>　　式中 為物體的熱導(dǎo)系數(shù)，單位為w/m·k（瓦/米*度）。S為物體截面積單位為㎡（平方米）。H為導(dǎo)熱路徑上二個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，單位為m（米）。顯然

95、為減小LED的總熱阻，應(yīng)設(shè)法減小芯片PN結(jié)到環(huán)境之間的距離，增大散熱通道面積及采用高熱導(dǎo)的材料，由于LED的襯底材料GaAs、藍(lán)寶石以及環(huán)氧、銀漿與粘結(jié)劑均是一些低熱導(dǎo)的材料，為減小熱阻，近年來(lái)相繼開發(fā)了去除GaAs襯底、采用倒裝結(jié)構(gòu)以及改用金屬直接替代膠結(jié)等新技術(shù)。目前這些技術(shù)逐漸成熟，并大量投入生產(chǎn)。</p><p>　　由表3-5可知，純銅與純鋁是二種具有極高熱導(dǎo)的適與制造LED支架與熱沉的材料。材料確定后

96、，散熱通道的截面積與散熱片表面積的大小決定了器件的總熱阻。實(shí)驗(yàn)指出，散熱面積越大，熱阻越低。另外，通過(guò)風(fēng)扇使環(huán)境氣氧產(chǎn)生了強(qiáng)制交換，也是減小阻的有效途徑。</p><p>　　3.2.5 LED照明燈具散熱系統(tǒng)研究</p><p>　　散熱是led路燈要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。led是冷光源，不象白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是，led本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作時(shí)產(chǎn)生的熱量有效的散發(fā)到

97、空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環(huán)境下，這樣led燈才能真正的體現(xiàn)出長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。led的管芯和涂覆的熒光粉都是在幾百度的高溫條件下生產(chǎn)出來(lái)的，本身有一定的耐溫能力。但是，led的外殼和管芯之間存在熱阻，這個(gè)熱阻使led在使用時(shí)外殼和管芯之間出現(xiàn)溫差，管芯的溫度會(huì)高于外殼溫度。</p><p>　　由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來(lái)越低，目前1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說(shuō)，給

98、1瓦的發(fā)光管加1瓦的電功率，管芯比管殼的溫度只高15度。按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過(guò)150度就能長(zhǎng)期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135度時(shí)可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的限制，實(shí)際使用中的管殼溫度最好不超過(guò)70度，這樣管芯溫度只有85度，發(fā)光管的透明封裝材料也不會(huì)快速老化。長(zhǎng)期穩(wěn)定工作沒(méi)有問(wèn)題。因此，沒(méi)有必要將半導(dǎo)體燈工作時(shí)的溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比

99、較低的成本生產(chǎn)穩(wěn)定工作的半導(dǎo)體燈。</p><p>　　要有效的散熱，減小燈的體積和生產(chǎn)成本，燈體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。問(wèn)題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到外殼上，怎樣有效的增大外殼和空氣的接觸面，并且有利于空氣在外殼表面上的流動(dòng)，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題。</p><p><b>　　燈具結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　組成結(jié)構(gòu)：

100、一般led路燈由鋁合金壓鑄燈體，led模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC恒流驅(qū)動(dòng)器，電器室蓋板五部分組成。見圖3-3：</p><p>　　功能結(jié)構(gòu)：散熱燈體，光源室，電器室三部分組成。</p><p><b>　　散熱研究</b></p><p>　　散熱材料的選擇：為了做好led路燈，首先我們對(duì)散熱材料進(jìn)行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材

101、料，這主要出于三方面的考慮：</p><p>　?、賹?dǎo)熱性能好——相對(duì)其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力；</p><p>　?、谝子诩庸ぁ诱剐院?，高溫相對(duì)穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；</p><p>　?、垡撰@取——雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價(jià)格也相對(duì)低廉；依此確定了散熱片所用材料類型，具體種類的確定同樣需以此為標(biāo)準(zhǔn)。</p&

102、gt;<p>　　表3-6散熱片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)</p><p>　　上表3-6中熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K＝1℃）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。</p><p>　　數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過(guò)大、及價(jià)格過(guò)于昂貴而無(wú)法廣泛采用；鐵則由于

103、熱傳導(dǎo)率過(guò)低，無(wú)法滿足高熱密度場(chǎng)合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。</p><p>　　d．目前常

104、用的散熱方式有：</p><p>　　1.散熱膠配合散熱片使用但有弧度，內(nèi)部空間有限，不能加散熱片的就不能使用，我們也都見過(guò)散熱片的體積是很大的。</p><p>　　2.使用風(fēng)扇風(fēng)扇不僅受弧度和內(nèi)部空間的制約，還會(huì)產(chǎn)生噪聲大，震動(dòng)的問(wèn)題。</p><p><b>　　3.使用液冷</b></p><p>　　雖然不受弧

105、度和內(nèi)部空間的影響，但成本太高了，還要經(jīng)常換液。</p><p>　　4.進(jìn)口高性質(zhì)導(dǎo)熱膠。</p><p>　　第4章 LED照明系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　LED是利用化合物材料制成PN結(jié)的光電器件。它具備PN結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性、光學(xué)特性。</p><p>　　4.1 照明用LED主要技術(shù)特性</p><

106、p><b>　　1、電學(xué)特性</b></p><p>　　I-V特性：表征LED芯片PN結(jié)性能主要參數(shù)。LED的伏安特性具有非線性和單向?qū)щ娦裕赐饧诱蚱珘罕憩F(xiàn)為低電阻，反之為高電阻。如圖1所示。</p><p>　　圖4-1 伏安特性曲線</p><p>　?。?）正向死區(qū)（圖1中的oa段或o’a’段）。a點(diǎn)電壓Va點(diǎn)對(duì)于o點(diǎn)電壓Vo

107、為開啟電壓，當(dāng)V<Va時(shí)，外加電場(chǎng)尚未克服少數(shù)載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí)電阻R很大。開啟電壓對(duì)不同的LED其值不同，GaAs為1V，紅色GaAsP為1.2V，GaP為1.8V，GaN為2.5V。（2）正向工作區(qū)，工作電流IF與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系：</p><p><b>　　(1-13)</b></p><p>　　式中：IS為反向飽和電流。在V>VF

108、的正向工作區(qū)，IF隨VF的增大呈指數(shù)規(guī)律上升：</p><p><b>　　(1-14)</b></p><p>　　正向電流IF是指LED正常發(fā)光時(shí)的正向電流值，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)該根據(jù)需要選擇IF的值的大小，在0.6IFm（IFm為正向工作電流最大值）以下。正向工作電壓VF是在給定正向電流下得到的，一般在時(shí)測(cè)得的。LED的正向工作電壓VF為1.4-3V。在環(huán)境溫度升高