发光原理。
1.1用蓝色led激励黄色荧光粉。即将黄色荧光粉敷涂在蓝色led表面,蓝色led本身光通量并不高,但在激励黄色荧光粉后产生的白光光通量是原蓝光光通量的8倍。
这种工艺是目前制造白光led的主要方法。
1.2将红、绿、蓝三种led集成在一起,通过调整其发光比例产生白光(即三基色远离),一般比例为红:绿:蓝=3:6:1。这种方式造价高,不适合于商品化发展。
分类。2.1led按照功率区分,可以分为大功率和小功率。0.5w以下一般称为小功率,0.5w以上称为大功率。
内部结构。3.1大功率led除两个电极外,都还自带有专门的散热结构和外部连接,用于提高散热效果。
而小功率led由于体积及成本原因,几乎都没有专门的散热结构,仅靠两个电极和外部连接,散热能力差。因此大功率灯具都应选择大功率led,而小功率灯具(如led灯泡、led灯管)在对灯具散热进行优化设计后,可以采用小功率led。
以下为最普通的一种大功率led结构图。
a)大功率led的一种结构。
c)内部结构说明。
以下为philips lumileds公司rebel型大功率led结构图。
4.白光led基本技术指标。
4.1 光通量。
光通量是指单位时间内光源发出的光能总和。光通量的单位为“流明”,符号为lm,光通量通常用φ来表示。光通量越大,说明光源发出的光越多,按照通俗的理解,可以认为该光源亮度越高。
光源的光通量可以通过积分球和光度计测量。
4.2 色温。
色温是表示光源光色的尺度,单位为k。当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时,我们就把绝对黑体的温度称之为这一光源的色温。
一些常用光源的色温为: 钨丝灯为2760-2900k;荧光灯为3000k;中午阳光为5400k; 蓝天为12000-18000k;高压钠灯为2000-2500k。
led光源可以通过改变荧光粉的配比来控制色温输出,一般范围为2000k-10000k。
人对不同色温的光源感官反应也不同,一般按色温可将光源分为三种:
比如,家庭多使用暖白光,而办公环境多使用正白光或冷白光。色温可以通过光谱分析仪测量。
4.3 显色指数和显色性。
光源照射到物体后反应物体本身颜色的能力称为显色性,显色性高低用显色指数来表示。显色指数的符号为ra,最大为100(自然光),显色指数越高,说明光源的显色性越好。常见光源的显色指数如下:
白炽灯 97
日光色荧光灯 80-94
白色荧光灯 75-85
暖白色荧光灯 80-90
卤钨灯 95-99
高压汞灯 22-51
高压钠灯 20-30
金属卤化物灯 60-65
led灯 65-90
显色指数可以通过光谱分析仪测量。
4.4 正向电压。
led的本质就是二极管,它的电压即指二极管的管压降,用vf表示,单位为v。为了得到更高的光效,在同样光通量(亮度)前提下,led的电压越低越好。一般白色、纯绿色、蓝色led的电压为3v左右,红色、黄色led的电压为2v左右。
4.5 电流。
电流指流过led电流。但应区分两个概念:led最大驱动电流和实际驱动电流。
实际应用中,led的驱动电流绝对不允许超过最大驱动电流,否则可能损坏led或导致亮度快速衰减。led属于电流型器件:电流越大,光通量越高(即亮度越高);电流越小,光通量越低(即亮度越低)。
但提高电流会导致功率上升,发热量增加,光效降低,影响led的寿命。
4.6 光效。
光效指在消耗单位功率条件下输出的光通量。光效可以分为光源光效和整灯光效。单位都是lm/w(流明每瓦)。
光源光效指单个光源在消耗单位功率条件下输出的光通量。整灯光效指整个灯具在消耗单位功率条件下输出的光通量。
4.6.1 光源光效。
从上式可以看出,只要测试出光源光通量及光源电压和光源电流即可计算出光源光效。光源光通量可以通过小型积分球测量,光源电压和光源电流可以通过精密电源测量。
注意:光源光效应注明测试电流,在不同测试电流情况下,测得的光效是不同的,因为led的光通量输出虽然会随着电流的增加而增加,但不是线性增加。下图为某型号led驱动电流和光通量输出曲线(纵轴数字为光通量输出的比例)。
4.6.2 整灯光效。
整灯光效指在将led装配到灯具内部后,对整个灯具进行的测试。
从上式可以看出,只要测试出灯具的整灯光通量及整灯功率即可计算出整灯光效。整灯光通量可以通过大型积分球或分布式光度计测量,整灯功率可以通过综合电量表测量。对比以上两个公式可以发现,整灯光效要明显小于光源光效。
因为:led光源被装配到灯具内部后,会在透镜、面板部分产生透光损失和反射损失,导致最终灯具光通量下降。
光损的多少可以用灯具效率来表示:
led灯具的功率除了光源部分功率之外,驱动电源自身还需要消耗一部分能量。
电源自耗功率的多少可以用电源效率来标识:
4.7 led各参数之间的关系。
4.7.1 色温划分。
以下为三原色图,中心椭圆区域为白光区,白光区内越接近左下角色温越高,白光区内越接近右上角色温越低。在白光内,可以划分为多个区域,abc的色温相同,都是6500k-8500k;def的色温相同,都是4500k-6500k;ghi的色温相同,都是2500k-4500k。
4.7.2 色温和显色指数。
色温和显色指数没有直接关系。例如,色温分别为2700k和3400k的led,显色指数都可以达到85以上。
4.7.3 色温和光通量。
同型号led(指芯片和工艺相同),色温降低,光通量也随之降低;色温提高,光通量也随之提高。因此在早期制造灯具的过程中,由于led本身的光通量并不高,所以通常选择高色温的led。
4.7.4 色温混合。
可以将高色温led和低色温led混合使用,这样灯具的色温会表现为中间色温。例如:将2700k的led和5000k的led混合使用,灯具的色温应介于2700k和5000k之间。
4.7.6 显色指数混合。
可以将高显色性led和低显色性led混合使用,这样灯具的显色性会在两者之间。例如:将ra=65的led和ra=85的led混合使用,灯具的显色指数应介于65和85之间。
使用过程中的注意事项。
5.1 严禁用手或其他物品按压。
所有led的透镜表面均严禁用手或其他物品按压,否则会导致led损坏。从前面介绍的大功率led内部结构部分我们了解到,led芯片和外接电极之间大多采用金线焊接,金线及金线末端的焊接部分仅能承受约10g力,因此外部很小的压力就会导致金线或金线末端的焊接部分断裂,从而造成led损坏。
5.2 防止化学品沾污。
所有led严禁化学品沾污。灯具生产过程中使用的酒精、助焊剂、各种胶水、抹字水等化学品都具有很强的氧化性,会对led内的荧光粉、芯片产生严重腐蚀,导致led损坏。
5.3 回流焊控制。
所有led仅能过1次回流焊,重复焊接会严重损伤led,因此在对led进行回流焊操作前必须确认以下内容:
5.3.1 温度曲线符合led器件的要求,新的led器件首次回流焊前必须和led厂家确认温度曲线。
5.3.2 led器件符合潮湿敏感度标准要求,达不到标准的应按生产厂家要求进行烘烤后再焊接。
5.3.4 led进入回流焊设备前应确保进行了必要的检查,以防止led贴装不良。
串联及并联分组对比。
led灯具的光源部分一般都是由多颗led组成,这些led在电气连接上可能是串联,也可能是并联,实际使用中以串联为主。
6.1串联连接。
如上图所示,一组led采用串联方式,由电源提供恒定电流驱动。
串联方式能够保证回路中所有led电流一致,但在串联回路中led数量较多时,需要电源输出较高电压,同时,串联回路存在一只led开路导致整个回路失效(整个回路不亮)的风险。
led失效会产生两种后果:开路或短路。开路会造成整个串联回路中所有led熄灭;而短路则不会影响串联回路中其他led正常工作。
大量实践证明,led失效基本上为短路,开路现象极少,因此串联使用是安全的。
6.2并联连接。
如上图所示,多只led采用先串联后并联的方式由电源驱动。在驱动相同数量led时,并联方式不需要电源输出很高电压。例如:
某盏灯具总共有60只led,若每只led的电压为3v,则串联方式电源输出电压至少为180v;而采用3路并联后,电源输出电压仅需要60v。
并联方式中,电源输出的电流i恒定,每条并联支路的电流分别为i1、i2、i3,在理想情况下(每条支路上所有led的电压和相等),i1=i2=i3=1/3i,也就是说,在并联方式下,电源输出的总电流应根据分支路数的多少成倍增加。
应特别注意:并联方式存在比较明显的隐患,如上图,实际上有一点非常关键,i1、i2、i3并不一等相等。由于led的电压存在离散性,我们无法保证每条支路路上led的总电压一致,但是并联电路的原理决定了每条支路的电压必须一致,这样就导致电压高的支路电流小,电压低的支路电流大。
极限情况下,电压低的支路电流可能超过安全值,造成led损坏。
若有led损坏,后果会更加严重,整个灯具可能在短时间内损坏:
某条支路有一只led开路,该支路的电流会分担到其他支路,造成其他支路超负荷工作;
某条支路有一只led短路,会造成该支路电压下降、电流急剧增加,而其他支路的电流均减小。
因此,在实际使用中,应尽量避免采用并联驱动方式。
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