LED照明技术与应用论文.doc
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深圳大学考试答题纸
（以论文、报告等形式考核专用）
二○一三～二○一四学年度第二学期
课程编号
1602140001
课程名称
LED应用与产业发展
主讲教师
余建华
评分
学号
2013800663
姓名
卢海花
专业年级
2013光电信息科学与工程
教师评语：
题目：
LED照明设计及应用
目录
摘要 3
引言 3
第1章LED照明原理及特点 4
1.1LED的基本概述……………………………………………………………………4
1.2LED照明技术的发展…………………………………………………………………5
1.3LED照明原理 5
1.4LED照明灯具特点 6
第2章LED照明设计技术 8
2.1LED照明设计的一般步骤 8
2.2LED照明设计需要注意的事项 9
第3章LED路灯的设计与应用 12
3.1LED路灯的基础知识 12
3.2LED路灯的设计 12
3.3LED路灯应用的实例 13
第4章LED城市景观照明的设计与应用 14
4.1LED城市景观照明四大特征 14
4.2不同场合的景观照明的设计与组装 16
4.3LED城市景照明的应用 19
第5章LED广告灯光的设计与应用 22
5.1LED广告灯光的种类 22
5.2LED控制系统 22
5.3LED广告灯光设计的实例 23
第6章结论 24
参考文献 25
LED照明设计及应用
摘要
led照明原理及特点、led灯具的设计及应用
引言
近年来,随着我国工业化与城镇化的快速发展,能源和资源的供需日趋紧张,对我国电力供应产生了一定的负面影响。
LED在照明应用中，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。
本文从LED照明技术的原理及应用着眼，具体探讨新型节能光源LED的发展前景和市场需求.
第1章LED照明原理及特点
1.1LED的基本概述
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
图1
1.2LED照明技术的发展
随着全球对发展低碳经济取得共识，LED照明产业凭借其在节能降耗领域的性能优势将迎来宝贵的快速发展机遇。
在当前低碳经济形势下，LED照明产业市场不断升温，竞争日益激烈。
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市景观照明等领域。
世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。
美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。
我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。
多年来，LED照明以其节能、环保的优势，已受到国家和各级政府的重视，各地纷纷出台相关政策和举措加快LED灯具的发展；大众消费者也对这种环保新型的照明产品渴求已久。
1.3LED照明原理
LED光源的LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
图2
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料带隙Eg有关，即λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
1.4LED照明灯具特点
节能化
研究资料表明，由于LED是冷光源，半导体照明自身对环境没有任何污染，与白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到90%以上。
在同样亮度下，耗电量仅为普通白炽灯的1/10，荧光灯管的1/2。
如果用LED取代我们传统照明的50%，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观。
健康化
图3
LED是一种绿色光源。
LED灯直流驱动，没有频闪；没有红外和紫外的成分，辐射污染，显色性高并且具有很强的发光方向性；调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差；冷光源发热量低，可以安全触摸；这些都是白炽灯和日光灯达不到的。
它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力并且环保的健康光源。
艺术化
LED在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势；彩色LED产品已覆盖了整个可见光谱范围，且单色性好，色彩纯度高，红、绿、黄LED的组合使色彩及灰度（1670万色）的选择具有较大的灵活性。
LED技术使居室灯具将科学性和艺术性更好地有机结合，打破了传统灯具的边边框框，超越了固有的所谓灯具形态的观念，灯具设计在视知觉与形态的艺术创意表现上，以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题。
我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配、光与色的结合，材质、结构设计的优势，提高设计自由度来弱化灯具的照明功能，让灯具成为一种视觉艺术，创造舒适优美的灯光艺术效果。
可随意搁置在地上、墙角或桌上，构思简约而轻松，形态传达的视觉感受和光的体验，让灯具变成充满情趣与生机的生命体。
人性化
毋庸置疑，光和人的关系是一个永恒的话题，“人们看到了灯，我看见了光”，正是这句经典的话语改变了无数设计师对灯的认识。
灯具的最高境界是“无影灯”也是人性化照明的最高体现，房间里没有任何常见灯具的踪迹，让人们可以感受到光亮却找不到光源，体现了把光和人类生活完美结合的人性化设计。
第2章LED照明设计技术
2.1LED照明设计的一般步骤
LED照明系统设计可按照确定照明需求，确定设计目标，估计光学、热和电气系统的效率，计算需要的LED数量，选择最佳设计方案和完成最后步骤6个步骤进行：
1、确定照明需求
2、确定设计目标
设计目标是基于现有灯具的性能，或是基于应用的照明需求。
3、估计光学系统、热系统和电气系统的效率
设计目标会对光学、热和电气系统产生限制，根据这些限制对各系统的效率进行估计，将照明目标和系统效率结合起来，分析评估能驱动照明的数量。
4、计算需要的LED数量
5、选择最佳设计方案和完成
6、样品试制和性能评估
2.2LED照明设计需要注意的事项
LED照明灯具设计应注意的事项。
2.2.1工作环境
LED室外照明灯具由于工作环境比较恶劣，受风吹雨淋日晒，阳光中紫外线照射，昼夜温差变化，空气中沙尘，化学气体等条件影响，灯具年复一年的受大自然时效老化处理。
设计时应充分考虑这些因素的影响。
2.2.2LED灯具材料及散热方式选择
外壳和散热器设计为一体，用来解决LED的发热问题，这种方式较好，一般选用铝或铝合金，铜材或铜合金，以及导热良好的其它合金。
散热有空气对流散热、强风冷却散热和热管散热。
灯罩的设计选材也是至关重要，目前使用的有透明有机玻璃，PC材料等，传统的灯罩是透明玻璃制品，究竟选什么样材料的灯罩跟设计的产品档次定位有关，一般来说，室外灯具的灯罩最好是传统的玻璃制品，它是制造长寿命，高档灯具的最佳选择。
采用透明塑料、有机玻璃等材料做的灯罩，做室内灯具的灯罩较好，用于室外则寿命有限，因为室外阳光、紫外线、沙尘、化学气体、昼夜温差变化等因素使灯罩老化寿命减短,其次是污染了不易清结干净，使灯罩透明度降低影响光线输出。
2.2.3LED芯片的封装
目前国内生产的LED灯具（主要是路灯）大都是采用1W的LED多个串、并联进行组装，这种方法热阻较先进封装技术的产品高，不容易造出高品质的灯具。
或者是采用30W、50W甚至更大的模组进行组装，以达到所需要的功率，这些LED的封装材料有用环氧树脂封装，有用硅胶封装的。
二者的区别是：
环氧树脂封装耐温较差，时间久了易老化。
硅胶封装则耐温较好，使用时应注意选择。
一般的看法是：
采用多芯片与散热器整体封装比较好，或采用铝基板多芯片封装再通过相变材料或散热硅脂与散热器相联接，做出的产品热阻比用LED器件组装的产品的热阻要少一至二道热阻，更利于散热。
采用LED模组的灯具，模组基板一般为铜基板，它与外散热器的联接要使用好的相变材料，或好的散热硅脂，保证铜基板上的热量能及时传到外散热器上去，如处理不好则易使热量堆积造成模组芯片温度升得太高，影响led芯片正常工作。
笔者认为：
多芯片封装适合制造普通照明灯具，模组封装适合空间有限的场合制造紧凑型led灯具（如汽车主照明的头灯等）。
2.2.4散热器的设计
散热器是led灯具很关键的一个部件，它的形状、体积、散热表面积都要设计得洽到好处，散热器太小，led灯工作温度太高，影响发光效率和寿命，散热器太大，则消耗材料多增加产品成本和重量，使产品竟争力下降。
设计合适的led灯散热器至关重要。
散热器的设计有以下几个部分：
1.明确LED灯需要散热的功率。
2.设计散热器用的一些参数：
金属的比热，金属的导热系数，芯片热阻、散热器热阻、周围环境空气热阻等。
3.确定采用散热的类型，（自然对流散热、强风冷却、热管散热，以及其它的散热散热方式。
）从造价比较：
自然对流散热造价最低，强风冷却中等，热管散热造价较高，喷气致冷造价最高。
4.确定LED灯具许可的最高工作温度（环境温度加灯具许可温升），
5.计算散热器的体积、散热面积。
并确定散热器的形状。
6.将散热器与LED灯组合成完整灯具，并通电工作八小时以上，在室温39℃--40℃的环境下检查灯具的温度，看是否满足散热要求，以检验计算是否正确，如不满足使用条件，则要重新计算和调整参数。
7.散热器与灯罩的密封要做到防水、防尘，灯罩与散热器之间要垫抗老化的橡皮垫或硅橡胶垫，用不锈钢螺栓紧固，做到密封防水
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