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大功率LED

大功率LED

大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA,而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦,工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约,因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明,中长期目标才是通用照明。

简介

大功率LED作为第四代电光源,赋有“绿色照明光源”之称,具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性,必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。

特点

大功率LED作为照明光源具有体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。 外罩可用PC管制作,耐高温达135度.,低温-45度

1.使用寿命:大功率LED路灯使用寿命高达50,000小时以上
2.节能:比高压钠灯节电80%以上
3.绿色环保。大功率LED路灯不含铅、汞等污染元素,对环境没有任何污染
4.安全:耐冲击,抗震力强,led发的光在可见光范围内,无紫外线(UV)和红外(IR)辐射。无灯丝和玻璃外壳,没有传统灯管碎裂的问题,对人体无伤害、 无辐射;
5.无高压,不吸灰尘。消除了普通路灯因高压吸收灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低:6.无高温,灯罩不会老化发黄。消除了普通路灯因高温烘烤灯罩使其老化发黄引起的亮度降低和寿命的缩短;
7.启动无延时。led在纳秒级,通电即达正常亮度,无须等待,消除了传统路灯长时间的启动过程;
8.无频闪。纯直流工作,消除了传统路灯频闪引起的视觉疲劳;
9.无不良眩光。消除普通大功率LED路灯的不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰,提高驾驶的安全性,减少交通事故的发生。
10.柔性化好——LED光源的精巧,使LED灯能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求,诸如:点、线、面、球、异形式,乃至任意艺术造型的灯光雕塑;
11. 色彩纯厚——由半导体PN结自身产生色彩,纯正,浓厚;色彩丰富——三基色加数码技术,可演变任意色彩;

可用范围

大功率LED在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、舞台装饰、城市景观照明、显示屏以及体育场馆等,特种工作灯具中的具有广泛的应用前景。

工作原理

发光二极管(LED)是一种能把电能转化为光能的固体器件,它的结构主要由PN结芯片、电极和光学等系统组成。LED的基本工作原理是一个电光转换的过程,当一个正向偏压施加于PN结两端,由于PN结势垒的降低,P区的

正电荷将向N区扩散,N区的电子也向P区扩散,同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子相对不稳定,对于PN结系统,注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合,其中多余的能量将以光的形式向外辐射,电子和空穴的能量差越大,产生的光子能量就越高。能量级差大小不同,产生光的频率和波长就不同,相应的光的颜色就会不同。

优缺点

由于大功率白光LED的转换效率还较低,光通量较小,成本较高,白光使用时间长易变色,散热等方面因素的制约,因此大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的特种工作灯具,中长期目标才能是通用照明领域。

大功率和标准功率LED产品的对比

1、简化设计过程

由于需要考虑极大简化热管理,因此相对于大功率技术所需的设计过程,标准LED阵列所需的设计过程要简单得多。在我们的理论例子中,驱动1W LED需要350mA电流,而六个标准LED阵列仅需120mA电流。大功率技术需要使用散热片和金属芯PCB板,以确保避免结点温度过高而造成的效率损失、使用寿命降低或者褪色。
因为标准的LED不需要使用散热片、金属芯印刷电路板(MCPCB)、电容器或电阻器,所以这些LED更易于设计、测试和制造。这种简化的过程不仅为生产过程节约了时间和金钱,而且还可以加快产品的上市时间。

2、节省成本

大功率LED需要进行热管理,这极大地增加了LED的成本。在设计过程中,最昂贵的附加物就是散热片。散热片可以由各种金属材料制作,这些材料既包括相对便宜的铝,也包括导电性能更好但却更昂贵的材料(如铜和银)。这些昂贵的材料可能导致大功率产品的成本增加1~10美元,而标准LED器件就可以避免这种成本的增加。
同样,大功率LED也需要使用MCPCB作为另一种被动冷却技术来控制结点温度。因为MCPCB的材料具有更好的导热性,所以相比于标准LED使用的更便宜的FR4 PCB,这些电路板的散热效率更高。然而,其成本却可能高达FR4 PCB成本的5倍。使用更便宜的FR4 PCB,根除对昂贵散热片的需求,以及简化设计的考虑事项,可以节约高达60%的成本。

3、节省空间

当设备的内部空间限制非常大时,标准LED通常是最佳的选择。如上所述,大功率LED需要额外使用散热片以及总体来说较占空间的冷却技术。其首要任务是创造更多的表面积,以通过对流和辐射冷却。表面积较大可以更有效地帮助减少热量,但是同时也增加了大功率LED的体积。这对于较小空间和较小产品而言,增加了设计障碍。
标准LED阵列通常不需要占用空间的驱动器、电容器和电阻器(这些均为大功率LED所需),从而节省了高达50%的空间。针对有限空间的应用,标准LED阵列可以提供与大功率LED相等的亮度,而同时又能极大地节省空间。

种类

封装器件成品

市场有普通型和集成型大功率LED两种。而普通型大功率LED分为单色光与RGB全彩两种,集成型大功率LED一般均为单色,RGB全彩的极少。

照明应用成品

大功率LED有很多种,如大功率LED路灯、大功率LED射灯、大功率LED投光灯、大功率LED水底灯、大功率LED天花灯、大功率LED洗墙灯、大功率LED隧道灯……
其中,大功率LED路灯和大功率LED洗墙灯应用的是最为多的,也是最流行的。

结构

1. 大功率LED射灯的结构,大功率LED射灯包含外壳、LED、PCB板、驱动和底座五个部分。

外壳主要承担散热和保护LED以及成形的作用。大功率LED射灯的外壳的材料一般来说都是铝,第一散热好,其次质量较其他金属要轻。有些外壳为了美观,还会镀上铬和镍等金属。功率较高的大功率射灯,人们通常用铜质的外壳。外壳的设计上一般采用的是扇形围边设计,也就是在外壳的周围是一些扇叶装外延体,主要目的是增加散热面积,提高散热效率。
大功率射灯用LED市场上只有两种,即1W和3W两种,有较少厂家用5W和100W的来做,但由于散热不能很好解决,基本没有太大的市场。

PCB板是用来置放并排布大功率LED的,同时又起着将LED与外壳之间绝缘并且将热量传导至外壳的作用。市场上有两种PCB板,一种是适用于普通大功率LED的PCB,另一种是适用于CREE大功率LED的PCB板。

驱动:又称电源,承担给LED供电的作用。常用的电源有两种:AC12V/DC12V,AC85-260V。简称低压和高压驱动。高压驱动是将AC85-260V的输入电压转化为适用于LED的5V左右电压,同时满足其输入电流。高压电源分为隔离电源和非隔离电源两种,隔离电源带有变压器,但成本较高;非隔离电源没有变压器,成本较低,但使用时不够安全,采用的是隔离电源。

底座:大功率射灯的底座有Gz4,GU5.3,GU10,E27,E26,E14,B22等。Gz4即为常规MR11所用的底座,Gu5.3为MR16所用底座,这两种底座公用一种灯座。E26,E27,E14都是螺旋底座,其中E26为美洲及日本110-130V电压适用的底座,E27为亚洲欧洲220-240V电压适用底座。B22主要在中国及东南亚使用较多。

封装技术

大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面,如图1所示。这些因素彼此既相互独立,又相互影响。其中,光是LED封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言,LED封装设计应与晶片设计同时进行,即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则,等晶片制造完成后,可能由于封装的需要对晶片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。

具体而言,大功率LED封装的关键技术包括:

(一)低热阻封装工艺
(二)高取光率封装结构与工艺
(三)阵列封装与系统集成技术
(四)封装大生产技术
(五)封装可靠性测试与评估

存在问题

我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯,但很多是用小功率LED阵列作发光体,散热问题解决了,所用LED数量要很多,小功率LED光衰强,安装成本高。

城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势,少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时,LED的散热问题;LED的散光和聚光控制问题;路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题;光电转换效率太低,每瓦只有几个流明等问题。因此产品性能还不尽如人意;高性能的产品价位又居高不下,难以推广普及。

散热和可靠性是影响大功率LED应用主要因素 。LED封装光源的散热问题,一直是LED产品开发中遇到非常重要的问题,其中产品材料的导热性能就非常之关键。陶瓷材料是导热性能非常好的材料,它有导热率高,良好的物量性能(不收缩,不变形),良好的绝缘性能与导热性能。因此,采用陶瓷材料将是未来LED产品开发的主流趋势。

光源优点

大功率LED一般是指lW以上的LED光源。与前三代光源比较,具有以下优点:

(1)环保、无污染——在现代社会,这是最重要的一条。LED为固态照明,不含汞等重金属,不污染环境,对人
体没有不良影响。
(2)高光效— 卤钨灯色温为3200 K时,光效在24 lm/W左右;高显色
的气体放电灯及三基色荧光灯的光效不超过100 lm/W;高显色~I.ED光源,品牌产品白光LED的光效已超过100 lm/W。400 nm~700 I1I蛐等能量白光,理论光效值为241 lm/W。在不久的将来,满足影视、舞台需要(主要指显色指数及色温)的LED光源光效完全可能超i 00 lm/W。
(3)寿命长——影视、舞台常用的卤钨灯寿命只有200 h~300 h;电脑灯中的金属卤化物灯一般为几百/J\13,J;三基色荧光灯的寿命可达8 000~10 000 h;而品牌的大功率LED光源在灯具中的寿命,已超过10 000 h。随着灯具及驱动电源散热条件的改进,不久的将来,其寿命有可能达到30 000h~50 000h。
(4)发光响应时间快——前三代光源中,白炽灯的点亮时间最短,大约为100 ms(毫秒,1 ms=10- s)。而LED
的点亮时间仅为纳秒(1 ns=10 s)级,因此,高频特性好。
(5)适宜在低温条件下工作——在景观照明中,特别是像冰灯这样的景观,由于温度很低,荧光灯往往难以启
动,而LED光源在低温下寿命会更长。
(6)在影视、舞台照明中需要多姿多彩的颜色时,LED光源具有突出的优点:在一台灯具中可放置多种颜色的

LED,用加色法得到各种各样的颜色,光通利用率高,颜色饱和度也高。

发展趋势

1.大功率led光效提高空间还很大。led光效已超过前三代光源,但距理论最高值还相差很远,也就是说它还有很大的发展潜力。led的内量子效率可以做的很高一般都可以到90%以上,但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率,就可以大大提高led产品的发光效率。这是led的重点研究课题之一。另外,在谈及led光源光效的时候,要区分几个概念。首先,实验室内led光源达到的光效,不表示现有产品的光效,它还要解决生产工艺等一系列问题才能变成批量产品。因此它代表的是未来产品的光效。其次,低显色指数产品的光效,不代表高显色指数产品的光效。有些厂家在宣传其产品的时候,说产品的光效达到多少流明瓦,是显色指数比较低的led光源的数值,高显色指数的led光源达不到所宣传的数值。还有,的led光源,高色温光源比低色玩光源的光效高,5600K的led比3200k的led光效高。了解led的这些特点,便于正确选购所需要的产品。

2.提高显色指数是led光源的重要课题之一。一般情况下,显色指数高,光效往往低一些;光效高,显色指数就差一些。有些应用领域,例如影视、舞台照明,对光源的显色指数就要求很高。

使用注意事项

大功率led属于敏感型元器件,散热和可靠性是影响大功率LED应用主要因素 ,那么在使用大功率led光源时要注意哪些问题呢?

大功率LED散热

由于半导体发光二极管晶片技术的限制,LED的光电转换效率还有待提高,尤其是大功率LED灯珠,因其功率较高,大约有60%以上的电能将变成热能释放(随着半导体技术的发展,光电转换效率会逐渐提高),这就要求终端客户在应用大功率LED产品的时候,要做好散热工作,以确保大功率LED灯珠产品正常工作。

  1.散热片要求。
  外型与材质:如果成品密封要求不高,可与外界空气环境直接发生对流,建议采用带鳍片的铝材或铜材散热片。
  2.有效散热表面积:
  对于1W大功率LED白光(其他颜色基本相同)一些使用单位使用散热片,有效散热表面积总和≥50-60平方厘米。对于3W产品推荐散热片有效散热表面积总和≥150平方厘米,更高功率视情况和试验结果增加,尽量保证散热片温度不超过60℃。
  3.连接方法:
  大功率LED灯珠基板与散热片连接时请保证两接触面平整,接触良好,为加强两接触面的结合程度,建议在LED基板底部或散热片表面涂敷一层导热硅脂(导热硅脂导热系数≥3.0W/m.k),导热硅脂要求涂敷均匀、适量再用螺丝压合固定。
大功率LED静电防护

因为LED属半导体器件,对静电较为敏感,尤其对于白、绿、蓝、紫色LED灯珠,所以要做好预防静电产生和消除静电工作

  1.静电的产生:

摩擦:在日常生活中,任何两个不同材质的物体接触后再分离,即可产生静电,而产生静电的最常见的方法,就是摩擦生电。材料的绝缘性越好,越容易摩擦生电。另外,任何两种不同物质的物体接触后再分离,也能产生静电.
  感应:针对导电材料而言,因电子能在它的表面自由流动,如将其置于一电场中,由于同性相斥,异性相吸,正负离子就会转移,在其表面就会产生电荷。
  传导:针对导电材料而言,因电子能在它的表面自由流动,如与带电物体接]触,将发生电荷转移。

  2, 静电对LED灯珠的危害:

  因瞬间的电场或电流产生的热,使LED灯珠局部受伤,表现为漏电流迅速增加,仍能工作,但亮度降低(白光将会变色),寿命受损。
  因电场或电流破坏LED灯珠的绝缘层,使器件无[法工作(完全破坏),表现为死灯。

  3.静电防护及消除措施:

  对于整个工序(生产,测试、包装等)所有与LED灯珠直接接触的员工都要做好防止和消除静电措施,主要有:
  车间铺设防静电地板并做好接地。
  工作台为防静电工作台,生产机台接地良好[。
  操作员穿防静电服、带防静电手环、手套或脚环。
  应用离子风机,焊接电烙铁做好接地措施。
  包装采用防静电材料。

焊 接

焊接时请注意选择恒温烙铁,焊接温度为260℃,烙铁与LED焊盘一次接触的时间不要超过3S(焊接时注意电烙铁一定要接地,操作人员要佩带静电手环或吹离子风机)
  四驱动电路因大功率LED遵循二极管的伏安特性曲线,如果驱动电压浮动则相应的驱动电流漂移很大,容易损害灯珠,因此建议使用较稳定的恒流驱动电源或IC,而不要采用恒压驱动电源或IC.

 






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