2008届本科毕业
LED节能照明系统的研究与应用
姓名：
系别：物理与信息工程系
专业：
学号：
指导教师辛修芳
2008年月日…………………………………………………………………………………………Ⅱ
0引言……………………………………………………………………………………………………1
1LED节能照明技术概况…………………………………………………………………………………1
1.1传统照明技术简介……………………………………………………………………………1
1.2LED照明发展简介……………………………………………………………………………1
1.3LED优点………………………………………………………………………………………2
2照明用LED主要技术特性……………………………………………………………………………2
2.1LED的电学特性………………………………………………………………………………2
2.2LED的光学特性………………………………………………………………………………3
3照明用白光LED技术…………………………………………………………………………………4
3.1白光LED技术原理……………………………………………………………………………4
3.2照明用白光LED技术要求……………………………………………………………………5
3.3白光LED驱动电路技术………………………………………………………………………6
3.3.1白光LED驱动器的要求及分类………………………………………………………6
3.3.2常见典型白光LED驱动电路…………………………………………………………6
3.4高效率白光LED技术发展…………………………………………………………………7
3.5照明用白光LED封装和散热问题…………………………………………………………8
3.5.1白光LED的封装技术…………………………………………………………………8
3.5.2散热问题及解决………………………………………………………………………10
4LED节能照明的应用…………………………………………………………………………………10
5结语……………………………………………………………………………………………………12
参考文献………………………………………………………………………………………………12
致谢……………………………………………………………………………………………………12
LED节能照明系统的研究与应用
摘要
本文阐述LED节能照明的原理及应用。先分析照明技术概况，提出LED照明的优点。然后重点论述用于照明的白色光LED技术。通过对白光LED芯片的发光材料的分析，介绍其发光机理，并分析其典型驱动电路技术。同时对白光LED芯片封装及散热的探讨，提出如何在散热和封装上来提高LED芯片的发光效率。最后分析LED的应用前景。
关键词
照明；白光LED；原理；驱动电路；应用
Energy-savingledlightingsystemsresearchandapplication
Abstract
ThisarticleelaboratestheLEDenergyconservationilluminationprincipleandtheapplication.Analyzesthelightingtechniquessurveyfirst,ProposestheLEDilluminationmerit.ThenthekeyelaborationusesinthewhitelightLEDtechnologywhichilluminates.ThroughdialoglightLEDchipluminescentmaterialanalysis,Introducesitsilluminationmechanism,Andanalyzesitsmodeldrivingcircuittechnology.SimultaneouslydialoglightLEDchipsealandradiationdiscussion,ProposedhowtoberadiatingandsealenhancestheLEDchiptheluminousefficiency.UltimateanalysisLEDapplicationprospect.
Keywords
lighting;whiteLED;Drivingcircuit;applications;Principle
0引言
从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场成为可能，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。因此，LED节能照明的技术的研究具有很大的现实意义。本文就对节能的LED在照明方面的技术上与应用上作以研究和分析。
1LED节能照明技术概况
随着人类文明的进步，照明技术也在迅速发展。早期人类用的是植物油产生光，1976年白炽灯问世，它以碳棒作为灯丝，是照明技术的巨大改进，1938年发明的日光灯可以减少热的损失，节省能源的消耗，这又是一个大进步，后来紧凑型日光灯的开发使其应用更为普遍，同时高压气体放电灯如水银灯、金属卤素灯及钠灯等的发明可在室外实现照明，满足了各方面的需要。目前有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。
1.1传统照明技术简介
在19世纪爱迪生发明电灯之前，人类实现照明的方式非常简单，那就是直接借助各种火源的直射光，例如蜡烛、油灯等等。这些发光设备虽然在人类的历史长河中点燃了漫漫岁月，却因为极低的发光效率和发光质量，只能尘封在历史的博物馆中，进入20世纪后，随着人类新工业革命的爆发，以爱迪生发明的新式白炽灯为代表的照明设备，正式成为人类生产生活中的主流发光设备。
人类社会的电力照明设备大致个重要的发展120V白炽灯的照明效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。②钨丝卤素灯，为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体作成的钨丝卤素灯也较为流行。一般钨丝卤素灯均在高温工作，灯泡也较小，用的是比较坚硬的玻璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。③日光灯，一般日光灯用低压放电可以产生11000-13000K的高温，目前日光灯可以用的材料有汞即水银和钠，汞灯释放紫外线故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光分以产生白光。④低压钠灯，用钠代替汞可以得到含有589nm及589.6nm的黄光但是钠熔点比汞熔点高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。大部分应用在街道级公路上。⑤高压汞灯，高压汞灯的一般功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极佳，大部分应用在街道照明及商用建筑的照明。⑥高压钠灯，可以产生50-1000W功率，演色性差不适合用于室内照明。⑦金属卤化物灯，是在高压汞灯中加入了其它金属，这样可以改进发光效率及演色性。
1.2LED照明发展简介
LED即LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为-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。应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于世纪60年代初，年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。直到年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年成功开发出白色LEDLED以其固有的特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一[2]。
1.3LED优点
（）发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。耗电量少LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。使用寿命长采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时。安全可靠性强发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。LED主要技术特性
LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件。它具备PN结结型器件的电学特性、光学特性。
2.1LED的电学特性
I-V特性表征LED芯片性能主要参数。LED的特性具有非线性单向导电性，即外加正偏压表现低电阻，反之为高电阻。（1）oa段或o’a’段）。a点电压Va点对于o点电压Vo为开启电压，当V
(1)
式中：IS为反向饱和电流。在V>VF的正向工作区，IF随VF的增大呈指数规律上升：
(2)
正向电流IF是指LED正常发光时的正向电流值，在实际使用时应该根据需要选择IF的值的大小，在0.6IFm（IFm为正向工作电流最大值）以下。正向工作电压VF是在给定正向电流下得到的，一般在时测得的。LED的正向工作电压VF为1.4-3V。在环境温度升高时，正向工作电压VF将下降。（3）V<0时，PN结加反响偏压。（4）V<-VR，VR为反向击穿电压。与VR对应的电流IR为反向漏电流。当反向偏压一直增加到使V<-VR时，IR将突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。
允许功耗P：假设流过LED的电流为IF管压降为VF则LED的功率消耗为。当LED工作时，若外加偏压、偏流一定，则会促使PN结内的一部分载流子复合发光，还有一部分变为热能，使节温升高。若节温为Tj外部环境温度为Ta，则时，LED内部的热量借助管座向外释放，散发的热量可以表示为。
响应时间：响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗2.2LED的光学特性
发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。[4]及其材料性能可以用于发光照明。LED光学特性：①发光法向光强及其角分布Iθ发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°。当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布Iθ是描述LED发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）发光峰值波长及其光谱分布LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。光通量光通量F是表征LED总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流直接有关。随着电流增加，LED光通量随之增大。可见光LED的光通量单位为流明（lm）发光效率和视觉灵敏度：它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。发光亮度亮度是LED发光性能又一重要参数，具有很强方向性。指定某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量，单位为cd/m2或Nit。寿命LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。器件老化程度与外加恒流源的大小有关LED技术
从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光（SSL）产品的发展很快，被认为是照明市场上的主要革命性进步[3]。白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。
发光二极管主要PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。LED技术原理
所谓白光是由多种颜色混合而成的光。人类眼睛所能见到的白光形式至少需两种光混合如二波长（蓝光+黄光）或三波长（蓝光+绿光+红光）。目前是二波长蓝光单芯片加上YAG黄色荧光粉，在未来较看好的是三波长光，以无机紫外光芯片加R、G、B三基色荧光粉。未来三波长LED的应用将取代荧光灯、节能灯，白光LED的市场将是巨大的，LED节能照明也将得到更加广泛、深入的应用。
白光LED的特性：在白光LED设计中，通常在发射蓝光的InGaN的基料上覆盖转换材料于是得到混合的白光。白光是不同波长的光的混合，所以，白光LED不可能有一个特定的波长，可用色坐标定义白光LED。在白光LED数据中，色坐标随正向电流增大而变化。正向电流的变化可以改变白光的质量。当正向电流高至101mA时，正向电压的变化很大，变化量的范围大约在800mV（部分白光LED的变化会更大）。白光LED工作电压的变化改变其发光色彩，是因为工作电压的变化改变了正向电流。对于不同的白光LED，其电流、电压特性也呈现出很大的差异。白光LED的发光效率和演色评鉴指数：光源的发光效率（K），能量效率是指输入功率W转换成光量子的百分比；发光效率用K（lm/W）表示。波长为时单一波长的发光效率可由式表示为。演色评鉴指数Ra，演色评鉴方法依照CIE的规定执行。一般照明用白炽灯可分为日光灯（色温为6500K）与灯泡（色温为2850K）两种。这两种不同色温的白炽灯的色温值都落在CIE所制定的条例轨迹上，即使是荧光灯的色度值也需要按照CIE的规定。一般是高效率白光LED的基本条件，室内装潢照明和阅览书籍时的Ra则需要大于95。
表1白光LED的种类及发光原理
芯片数 激发源 发光材料 发光原理
1 蓝光LED InGaN/YAG InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光 蓝光LED InGaN/荧光粉 InGaN的蓝光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光 蓝光LED ZNse 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光 紫外LED InGaN/荧光粉 InGaN的紫外光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光 2 蓝光LED
黄绿LED InGaN
GaP 将具有补色关系的两种芯片封装在一起，构成白光LED 3 蓝光LED
绿光LED
红光LED InGaNAlInGaP 将发三原色的三种小片封装在一起，构成白光LED 多个 多种光色LED InGaN
GaPAlInGaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装在一起，构成白光LED 目前白光LED产品发光原理如表1。其中主要以两种方式发光。以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射次荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合，便可以得出肉眼所需的白光。照明用白光LED的开发基础在于蓝光技术。蓝光LED基片安装在碗形发射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层200-500nm。蓝光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色光混合，可以得到白色光。对于InGaN-YAG白光LED改变YAG的化学成分和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。结构如图2所示。
1：LED芯片发蓝光
2：LED荧光粉发黄光
图2LED封装结构图
3.2照明用白光LED技术要求
（1）要有高的发光效率。照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求。光通量：照明的白光功率LED希望达到1Klm。不过光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率的功率LED也能满足要求不高的照明需要。由于白炽灯的效率较低，仅为8lm/W，所以一个15W白炽灯的光通量与5W（25lm/W）的白光功率LED器件相当。发光效率：目前产业化产品已从15lm/W提高到25lm/W，研究水平为32lm/W，最高已达到44.3lm/W。色温：为2500-6000K，最好在2500-3500K。显色指数Ra，最好达到100至少应该大于80。稳定性：用于照明的白光LED的波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照场合的要求而定。
（2）光的分配必需均匀，并能有效的控制，可以开关或改变强度而不影响其寿命。
（3）相关色温或简称色温，一般白炽灯的色温在2850K，使人感觉轻松与舒适，适用与卧室等处；办公室所用所用光源色温在4000-5000K，是柔和的白光；白天的光色温约6500K，适合与工厂，所以一般色温都应该在这些范围内。
（4）品质因数FOM。用品质因数FOM值可以比较不同官员的实际价值。
（3）
其中，是观点转换效率；K是发光效率；是斯托克斯位移效率，也就是当光由另一波长转换的效率，当光波长405nm转换为540nm时，。表2中列出用不同波长产生白光时的FOM以及与470nm相对的FOM值。
表2在不同波长LED上添加荧光粉所产生白光的特性
芯片主波长/nm 470 405 380 相对于470nm晶片的电光转换效率 1.0 1.5 1.0 发光效率/(nm/W) 330 330 300 斯托克斯频移 0.80 0.75 0.70 品质因数 264 369 210 相对于470m波长时的品质因数变化 0% +40% -20% 3.3白光LED驱动电路技术
白光LED是照明领域的主流，其驱动电路技术至关重要。驱动器相当于白光LED供电的特殊电源，可以驱动正向压降为3.0-4.3V的白光LED，并根据需要驱动串联、并联或串并联的多个白光LED，满足驱动电流的要求。
3.3.1白光LED驱动器的要求及分类
驱动器的主要要求：驱动器应有升降压功能，以满足电池供电的要求；应该有高的功率转换效率；在多个白光LED串联时，要求白光LED的电流相匹配，是亮度均匀；功耗低，静态电流小，并具有关闭控制功能，在关闭状态时一般静态电流应该小于1；白光LED的最大电流可以设定，使用过程中可以调节光的亮度；有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、输出开路或短路保护；小尺寸封装，并要求外围组件少而且小，所占印制板面积小；对其它电路的干扰影响小；使用方便，加为低。
从供电电压，一般将驱动器分三类，由电池供电，电压一般低于5V，主要用于便携式电子产品，驱动小功率及中功率的白光LED，它主要采用升压式DC/DC变换器或升压式（升降压式）电荷泵变换器，少数采用LDO电路的驱动器；大于5V供电，有稳压电源或蓄电池供电，它主要用于降压式或升降压式DC/DC变换器；直接由市电110V或220V或相应的高压直流40-400V供电，主要用于驱动大功率白光LED，采用升压式DC/DC变换器驱动电路。电荷泵式驱动器可数去的电流已从几百毫安升到1.2A，并且两者在转换效率上也不相上下。对于采用LDO电路的驱动器，不用外围期间和价格低，为优点，但是转换效率略低，并且电池常不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要由于1节锂离子电池的场合，并且学要用正向电压低的白光LED。可以用白光LED驱动电源的集成器件品种较多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种类型[9]。
3.3.2常见典型白光LED驱动电路
白光LED驱动电路的特点是：白光LED的正向电压VF非常高，VF本身具有一定的波动范围，全开工作时会使白光LED的耗电量增加，电源电压变化会影响白光LED的亮度。为了使白光LED能稳定工作，且不受电压VF波动及电源电压波动影响，所以必须使用专门为驱动白光LED而设计的DC/DC变换器。DC/DC变换器有电感是DC/DC变换器及电荷泵式DC/DC变换器两大类[10]。
最近几年行动电话、PDA等可携式电子产品的液晶显示器逐渐从黑白银幕更换成彩色银幕，由于液晶本身不会发光所以液晶显示必需利用背光照明单元显示银幕的信息。可携式电子产品的背光照明单元基于耗电性等考虑，因此LED正当快速取代传统灯泡，成为背光照明单元主要发光组件。为了使白光LED点灯必需使用高顺向电压VF与顺向电流IF，尤其是背光照明单元的电流控制，对可携式电子产品的电池动作时间具有绝对性影响，因此探讨白光LED背光照明单元的原理与驱动电路的设计技巧。如图所示传统背光照明单元的白光LED是并联驱动，由于白光LED的亮度取决于电阻的阻抗值。然而白光LED的电压VF本身具有不同的波动范围，因此相同的电阻会使白光LED的亮度产生分布不均现象。图传统背光照明单元的白光LED传统背光照明单元的白光LED驱动方式（6）
假设个LED的电流ILED为15mA，RL约为830Ω，三只3.6V的白光LED串联联接时，LED整体的驱动电压VLED为：
式中：N为串联连接的白光LED数。
图5驱动白光LED电路
半导体照明是本世纪最具发展前景的高技术领域之一，白光LED将成为21世纪的新一代光源，可以替代白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯等传统光源，白光LED孕育着巨大的商机[11]它将成为一种理想的环保照明系统。传统的白炽灯采用的是热发光技术，90%的电能以热辐射形式散发出来，不仅浪费能源，而且会使室内外温度升高，增加空调等设施的用电量，在一定程度上增加了地球的温室效应。LED技术发展
使用荧光体与光触媒所构成的紫外线LED的开发，尤其波长为382nm、外部量子效率为24%的GaInNLED是在已作过凸凹加工的蓝宝石上使用选择性长晶GaN基板，因此可以降低结晶的转位密度并提高内部量子效率，如果在加上覆芯片化结构，则更加突显取光效率。在高温环境才下施加压力将波长几乎与LED一致的透明状GaP粘贴上去，便可将光取出效率提高两倍。如图6中外形呈梯状结构的LED是对光取出效率所作的改善。
图6AlGaInP系TIP-LED结构
为获得完美的高演色性（），基本上白光LED可分为单芯片型和多芯片型两种方式：一种是同时点亮红、绿、蓝三色LED产生白光；另一种是利用蓝光或紫外光LED作为级法源，激发荧光体获得白光。此外，单芯片型的技术方向，是改变活性层的性质，利用单纯的半导体产生红、绿、蓝三色光，进而获得白光。多芯片型方式碍于各颜色LED的驱动电压、发光效率、配光特性的差异，以及色温的特性、组件的寿命等，激励实用化还存在许多问题有待解决。单芯片性因为组件种类单纯，具有驱动电路设计容易等有点。（1）单芯片型如InGaNLED（蓝）/YAG荧光粉，InGaNLED（蓝）/YAG荧光粉+绿荧光粉，InGaN（紫外）LED封装和散热问题
LED的密集排列组成白光照明系统，热量的耗散问题是功率型LED应用的先决条件[8]。LED封装技术大都是在分立器件封装技术基础上发展与演变而来的，但却有很大的特殊性。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护管芯和完成电气互连。而LED封装则是完成输出电信号，保护管芯正常工作，输出可见光的功能，既有电参数，又有光参数的设计及技术要求，无法简单地将分立器件的封装用于LED。3.5.1白光LED的封装技术
LED的核心发光部分是由型和型半导体构成的结管芯，当注入结的少数载流子与多数载流子复合时，就会发出可见光，紫外光或近红外光。但PN结区发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料，应用要求提高LED的内、外部量子效率。常规Φ5mm型LED封装是将边长0.25mm的正方形管芯粘结或烧结在引线架上，管芯的正极通过球形接触点与金丝，键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射杯和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的作用是收集管芯侧面、界面发出的光，向期望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成一定形状，有这样几种作用：保护管芯等不受外界侵蚀；采用不同的形状和材料性质(掺或不掺散色剂)，起透镜或漫射透镜功能，控制光的发散角；管芯折射率与空气折射率相关太大，致使管芯内部的全反射临界角很小，其有源层产生的光只有小部分被取出，大部分易在管芯内部经多次反射而被吸收，易发生全反射导致过多光损失，选用相应折射率的环氧树脂作过渡，提高管芯的光出射效率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性，绝缘性，机械强度，对管芯发出光的折射率和透射率高。选择不同折射率的封装材料，封装几何形状对光子逸出效率的影响是不同的，发光强度的角分布也与管芯结构、光输出方式、封装透镜所用材质和形状有关。若采用尖形树脂透镜，可使光集中到LED的轴线方向，相应的视角较小；如果顶部的树脂透镜为圆形或平面型，其相应视角将增大。1.3W一种的高功率LED封装图[6]。
图71.3W高功率LED封装
不同颜色的5mmLED随着时间变化不会以同样的方衰减。在20mA的电流下，5mm封装LED的衰减如图8所示[7]。红光LED的光输出衰减速率较白光LED慢，而绿光和蓝光LED则以中等的速率衰减。自光封装在一个与外界嗝离的灯具中，环境温度将影响白光白的充输出衰减速率。
图85mm封装LED的衰减情况
随着大功率白光LED封装技术的发展，可以通过减小白光LED结点与插脚间的热阻，把封装外壳做成扁平状、缩短节点与插脚间的距离来缩短传输的距离。同时引线的支架的直径更大，引脚增大，并使用热传导性能较好的材料制作，能使热量更快的散发出来。使用耐高温的环氧数值，解决了高温的散热问题，因此可以利用大芯片进行封装，致使其工作电流可由一般的20mA增大到350mA、700mA甚至1000mA，其功率可以达到1W、3W5W。这种封装的辐射视角很宽，因此该白光LED的光效率很高，所以，信号灯中使用的白光LED只需要十几只，甚至几只，常见的LED台灯也是如此。常规白光LED与功率白光LED在信号灯中的应用有些不同：如材料不同，一般白光LED用环氧树脂作安装版，而功率白光LED需要使用铝基线路板（MPCB）；生产工艺不同，一般白光LED使用波峰焊接或手焊接均可，而功率白光LED需要使用贴片焊机；结构要求不同；配光设计不同，使用寿命不一样等。
3.5.2散热问题及解决
散热技术影响取光效率的要素对于由PN结组成的发光二极管，当正向电流从PN结流过时，PN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。设发光二极管的热阻为Rth（℃/W），热耗散功率为PD（W），此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为：
PN结结温为：
(5)
其中TA为环境温度。由于结温的上升会使PN结发光复合的几率下降，发光二极管的亮度就会下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象。另外，随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，约0.2-0.3nm/℃，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白色LED来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LED的整体发光效率，并导致白光色温的改变。对于功率发光二极管来说，驱动电流一般都为几百毫安以上，PN结的电流密度非常大，所以PN结的温升非常明显。对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PN结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命。[7]为了降低产品的热阻，首先封装材料的选择显得尤为重要，包括热沉、粘结胶等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。其次结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发。同时，要从工艺上确保，热量按照预先设计的散热通道及时的散发出去。LED节能照明的应用
LED节能照明的应用，是随着对LED发光技术的研发而进一步发展的。在对不同需求电路要求中，其驱动电路也不尽相同。
（一）前景及发展趋势目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。26%[12]。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。（二）照明应用中存在的主要技术问题LED的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯采用的白色LED发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，在照明普及应用方面仍存在一些技术性问题：一是光通量有待进一步提高。采用LED作为照明光源，必须可以发出更多的光，必须具有更高的能量效率。二是LED发出的光与自然光仍有一定的差距。白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉。而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。三是价格较高。这是影响LED照明普及的主要原因。但是，近年来出于晶片技术的改良，制造成本正在急剧下降，近三年来LED的价格下降了近50%，其正朝着高效率、低成本的方向发展，这为LED在照明领域的应用提供了有利条件。此外，较好的性价比也可以弥补成本价格方面的不足。
三LED照明技术在灯光环境中的应用由于LED光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强，有利于环保等特性，近几年来在城市灯光环境中得到了广泛的应用。目前已应用于数码幻彩、护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明系列。许多城市利用LED光源照明技术应用于城市灯光环境建设中，产生了良好的效果，积累了丰富的的经验。如广州电力大厦、广州鹤洞大桥、广州工商行大厦、珠海迎宾南路灯光工程、东莞中心城区灯光工程、郑州河南医科大立交桥、上海延安路灯光工程、湖南常德市丹阳天桥、南通市通讯塔灯光工程等。随着全国城市化的进一步发展，灯光环境（包括路灯、景观灯、艺术灯等）建设领域将不断扩大，LED光源的应用也将不断发展。LED作为第四代新光源，在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用，但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源，还需进一步的研究和探讨，认真解决LED光源在照明应用中存在的技术问题，还需LED光源生产厂家结合路灯行业的实际情况，生产符合路灯建设和维修所需的新产品，使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用。5结语
过去10年来，在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED以其令人惊叹而欣喜的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED寿命长达10万小时，意味着每天工作八小时，可以有35年免维护的理论保障。低压运行，可达的光输出，调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作成平方毫米。经过二次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性，这是许多传统光源所不可能实现的。LED技术的发展，推动着节能照明系统的进步。
参考文献
[1]大谷义彦（日）夏晨（译）.中国照明电器.2007(6)；20-24
[2]顾方嘉.日本LED照明技术的开发[J].电子世界.2007,48(4):52-53
[3]LucioDiJasio.LED照明应该变得更加智能[J].今日电子.2007,52(5):50-51
[4]MichaelE.Levinshtein（俄）,SergeyL.Rumyantsev（俄），MichaeelS.Shur（美）,杨树人，段景志（译）.先进半导体材料性能与数据手册.北京：化学工业出版社.2003：23
[5]周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用.北京：人民邮电出版社.2006：148-150
[6]黄继昌，张海贵等.电源专用集成电路及其应用.北京：人民邮电出版社.2006：180
[7]沈培宏.白光LED照明技术进展及产业和市场现状[J].灯与照明.2006,30(2):46-52
[8]宋萍,李正佳,阮玉.超高亮度LED驱动电路在LCoS微显示器中的应用[J].光学与光电技术.2007,5(1):14
[9]LINYC,TRANN,ZHOUY,etal.MaterialschallengesandsolutionsforthepackagingofhighPowerLEDs[C].2006InterationalMicrosytemsPackagingAssemblyConference.Taiwanchina,2006:1-4
[10]史光国.半导体发光二极管及固体照明.北京：科学出版社.2004：250
[11]周志敏，周纪海，纪爱华.LED驱动电路设计与应用.北京：人民邮电出版社.2006：139
[12]FrankMarx.LED照明势在必行[J].电子技术.2006，33(4)：80-80
致谢
在我写本论文的过程中，辛修芳老师对我的选题进行了悉心的指导，在文章的写作过程中，本人得到了老师、朋友、以及同学们的大力支持与帮助。特别感谢辛修芳老师在具体写作过程中给予的悉心指导和支持，感谢同学们在环境上与时间上的支持，这些是我能够坚持下来的源动力。再次向所有在本人论文写作过程中给予过帮助与关怀的所有朋友表示深深的感谢。
商丘师范学院学士学位毕业设计
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