毕业设计LED照明系统的研究与设计.docx

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毕业设计LED照明系统的研究与设计

学生毕业设计（论文）报告

系别：

电子与电气工程学院

专业：

微电子技术

班号：

学生姓名：

学生学号：

设计（论文）题目：

LED照明系统的研究与设计

指导教师：

设计地点：

常州信息职业技术学院

起迄日期：

2010.5.4——2010.7.3

毕业设计（论文）任务书

专业微电子技术班级姓名

一、课题名称：

LED照明系统的研究与设计

二、主要技术指标1、光效，理论上最大光效：

683lm/W；2、色温分级：

暖色（<3300K）、中间色（3300K—300K）、 冷色（>5300K）；3、照度，低照度（约100—200lx以下）用暖色温，中照度（约200—750lx）用中色温；4、LED的颜色；5、LED的电流：

一般小功率的LED的正向极限电流多在20mA。

但大功率LED的功率至少在1W以上，目前比较常见的有1W、3W、5W、8W和10W。

1WLED的额定功率为350mA,3WLED的750mA；6、LED的正向电压：

LED的正极接电源正极,负极接电源负极；7、LED的反向电压：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏；8、LED发光强度：

光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的（发）光强（度），单位为坎德拉（cd）；9、LED光通量：

光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。

单位为流明（lm）；10、LED光照度：

1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度.，单位为勒克斯（lx）；11、LED的使用寿命：

LED一般可以使用50,000小时以上；

三、工作内容和要求：

1、论述LED的发展史2、研究LED器件的光学特性、热学特性、电学特性和工作原理。

3、LED照明系统的电路设计4、分析PN结温度升高对LED性能的影响，讨论LED灯具散热的重要性，研究LED灯具的散热途径。

5、分析LED照明系统模型并分析其组成部分——灯具、光源、控制器。

最后，对全文的工作进行总结。

四、主要参考文献：

[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生等.半导体物理学．西安交通大学出版社第7版,180--364

[2]王晓明，郭伟玲，高国，沈光地．LED——新一代照明光源．现代显示，2005版，68--120

[3]赵清泉，夏晓玲．半导体发光二极管的应用及其前景．大众科技，2005版，35--89

[4]周太明，电器照明设计.上海：

复旦大学出版社，2001年11月，24--140

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

LED照明系统的研究与设计

一、选题的背景和意义：

目前，传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。

能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。

发展可再生能源已成为全球课题。

而综观可再生能源种类，风能、生物能、太阳能等，太阳能的利用前景最好，潜力最大。

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。

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。

LED照明技术在这个领域中将发挥重要的作用。

二、课题研究的主要内容：

1、LED的发展史

2、LED的结构和工作原理

3、LED光学特性、热学特性、电学特性等各性能的研究

4、LED照明系统的散热性研究

5、LED照明系统的电路图设计

6、介绍LED照明系统的组成部分及其工作原理

7、简要介绍LED照明系统的应用

三、主要研究（设计）方法论述：

首先定下这一课题，然后完成开题报告，给自己定下一个比较合理的时间进度。

这是完成论文的保障。

然后才着手完成整篇论文。

多数资料都是从网上搜索到的内容。

将搜索到的内容进行一个简单的整合。

在此之前先确立了一个大体框架结构，这样所搜索到的内容就可以很方便的有步骤的嵌套进去。

本文首先对LED发展进行论述，包括其产生、发展等等方面，这一方面介绍的比较简略。

然后又比较全面的对LED的工作原理及LED照明系统的组成进行介绍和阐述。

接下来是着重对LED照明系统的设计和各种性能研究进行阐述，最后，完成对整个LED照明系统的设计。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2010.5.4——2010.5.23

确定论文题目，收集相关资料，完成开题报告。

2010.5.24——2010.5.31

论文的整体构思，完成第一章到第三章的内容撰写。

2010.6.1——2010.6.5

完成中期检查报告。

2010.6.6——201.6.25

完成整篇论文的撰写。

2010.6.26——2010.7.3

根据老师的指导对论文进行修改。

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

摘要

Abstract

第1章前言…………………………………………………………..………….1

第2章LED的发展及其基本知识………………………………………………1

2.1LED的发展历程………………………………………………………………1

2.2LED的工作原理、特性及其分类……………………………………………3

第3章LED照明系统的散热性研究……………………………………………7

3.1LED的结温……………………………………………………………………7

3.1.1LED结温的产生……………………………………………………………7

3.1.2结温对LED的影响…………………………………………………………8

3.2LED的热阻……………………………………………………………………10

3.2.1LED照明的热阻模型及其构成特点………………………………………11

3.2.2热阻对LED芯片尺寸的影响………………………………………………12

3.2.3常用热阻测试方法…………………………………………………………12

3.2.4减少LED热阻值方法………………………………………………………13

3.2.5LED照明灯具散热系统研究………………………………………………14

第4章LED照明系统的电路设计………………………………………………16

4.1照明用LED主要技术特性……………………………………………………16

4.2LED驱动电路技术……………………………………………………………17

4.2.1LED驱动电路的基本原理…………………………………………………17

4.2.2LED驱动电路的要求………………………………………………………19

4.2.3LED驱动电路的设计………………………………………………………21

第5章LED照明系统的组成……………………………………………………28

5.1LED的照明灯具………………………………………………………………28

5.1.1LED灯具的特点……………………………………………………………28

5.1.2LED灯具的功能……………………………………………………………29

5.1.3LED灯具的基本介绍………………………………………………………29

5.1.4LED灯具设计的指标………………………………………………………30

5.2光源……………………………………………………………………………31

5.3驱动器…………………………………………………………………………33

第6章LED照明系统的简单应用………………………………………………34

第7章结束语……………………………………………………………………37

答谢辞

参考文献

摘要

在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋。

同时，国家也大力倡导节能减排，已结束的2008年北京奥运会和正在举办的2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这就给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。

LED与传统光源相比，具有节能、环保、响应时间短、效率高、体积小、寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐,也成为当前各国半导体照明领域研究的热点。

本文围绕LED用于照明灯的散热设计、电路设计、灯具设计、照明系统设计等关键技术进行研究,具体完成的工作归纳如下：

1.研究了LED器件的光学特性、热学特性、电学特性。

分析了LED的工作原理，对各项性能的研究。

2.分析了PN结温度升高对LED性能的影响，讨论了LED灯具散热的重要性,研究了LED灯具的散热途径。

分析了LED的热阻及其模型，热阻的测试和减小热阻的方法。

3.分析了LED照明系统的设计，研究了LED照明系统的电路设计、灯具设计，讨论了驱动电路的工作原理和设计要求、灯具的设计功能和指标，通过灯具、光源、驱动器组成了一个照明系统。

最后，对全文的工作进行了总结。

关键词：

LED；照明系统；驱动电路；散热；

Abstract

Intoday'senvironmentofglobalenergyshortage,energyconservationhasbecomeatrend.Thestateadvocateenergysaving,hasendedthe2008BeijingOlympicGamesandisbeingheldinWorldExpo2010ShanghaiCoincidentally,boththegreenenergythemethistothedevelopmentofChina'sLEDlightingindustrybroughtgreathistoricalopportunity.ComparedwiththetraditionallightsourceLED,energysaving,environmentalprotection,responsetime,highefficiency,smallsize,longlifeandgoodnumberofearthquake,andtherefore,bythepeopleofallages,hasbecomethenationalsemiconductorlightinginthefieldofresearch.ThispaperfocusesonLEDlightingforthethermaldesign,circuitdesign,lightingdesign,lightingdesign,keytechnologyresearch,thespecificworkcompletedasfollows:

1.OftheopticalcharacteristicsofLEDdevices,thermalproperties,electricalproperties.TheworkingprincipleoftheLED,onthevariousproperties.2.AnalysisofthePNjunctiontemperatureontheLEDperformance,discussedtheimportanceofLEDheatlamps,heatlampsoftheLEDchannels.AnalysisandmodelthethermalresistanceofLED,thermalresistanceandreducethethermalresistancetestmethods.3.AnalysisoftheLEDlightingsystemdesign,researchtheLEDlightingsystem,circuitdesign,lightingdesign,todiscussthedrivercircuitoperatingprincipleanddesign,lightingdesignfeaturesandtargets,throughthelamp,lightsource,thedrivetoformalightingsystem.Finally,thepapersummarizesthework.

Keywords:

LED；LightingSystem；Drivecircuit；Cooling

第1章前言

LED被认为是21世纪的照明光源。

LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。

LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。

用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。

使用安全可靠，便于维护。

我国照明用电占总发电量的12%。

目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。

另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。

第2章LED的发展及其基本知识

图2-1LED结构图

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光

的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

2.1LED的发展历程

图2-2LED发展史历程

1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；研究被摒弃了。

二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。

再一次因发光暗淡而停止。

1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。

随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。

LED光源的正式问世是在上世纪60年代，当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙色光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的发光效率得到大幅度的提高。

在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的发光效率可以达到50流明/瓦。

LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，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应用。

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LED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。

曾经有人指出，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。

目前在美国，户外照明所消耗的电量约占其总发电量的4.4%。

正是基于这一情况，美国众议院最近提出了一份新议案，要求逐步淘汰能效低下的旧技术（如白炽灯和卤素灯），为能效更高、更具成本效益的新照明技术（如高亮度LED）的发展铺平道路。

在全球范围内，上至政府机构、工业和商业领域，下至普通大众都在积极寻求降低能耗的有效途径。

最初的尝试主要放在容易实现的目标上，比如选择适当的住宅隔热材料、使用太阳能板以及节约能源等。

如今，已有相对完善的法律规定，要求我们必须使用高能效的白色家电、适配器和充电器、消费类电子产品以及办公设备。

近些年来，随着高亮度LED成本的不断下降，人们也开始对诸如标准家用灯泡等以前所接受的产品重新进行评估。

在许多国家（包括美国、德国、英国、爱尔兰和澳大利亚），新制定的能效标准已上升为法律，将有效禁止白炽照明的继续使用。

美国众议院加利福尼亚州第36号选区议员JaneHarman在2009年3月26日发表演讲，提出了一项“户外照明能效法案”，该法案计划通过解决街道照明问题来逐步淘汰标准灯泡。

新提案获得众议院通过后，第一期标准将会于2011年制定完成，随后的标准将分别于2013年和2015年制定完成。

届时，美国能源部将会进一步提高能效标准。

该法案还要求户外照明灯的亮度必须是可控制的，以便于用户更改它们的发光量，原因是人们在黄昏和深夜时分所需要的亮度水平是不同的。

这一功能非常重要，因为它将赋予城市、县镇和其他用户对其用电水平更大的控制权。

这项法案参照了加利福尼亚州已实施的相关法律以及其他州早已通过的户外照明标准。

LED灯最早亮相街头要追溯到上世纪90年代，那时，城市当局开始使用固态照明设计来替换白炽交通信号灯。

为了实现LED交通信号灯在其街道照明系统中的能源及维护节省，许多城市纷纷开展了范围广泛的LED路灯试验。

2.2LED的工作原理、特性及其分类

（一）LED发光原理

   发光二极管是由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。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，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，如图2-3所示。

图2-3LED发光原理

   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。

   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禁带宽度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。

现在已有红外、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。

（二）LED的特性

1．极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。

超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：

允许加的最大的正向直流电流。

超过此值可损坏二极管。

   （3）最大反向电压VRm：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:

发光二极管可正常工作的环境温度范围。

低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

2．电参数的意义

（1）光谱分布和峰值波长：

某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。

图2-4LED光谱分布和峰值波长

由图2-4可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。

（2）发光强度IV：

发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。

若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。

由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉（mcd）作单位。

   （3）光谱半宽度Δλ:

它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.

   （4）半值角θ1/2和视角：

θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。

   半值角的2倍为视角（或称半功率角）。

图2-5LED半功率角

   图2-5给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。

中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。

显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。

由此图可以得到半值角或视角值。

   （5）正向工作电流If：

它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。

在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

   （6）正向工作电压VF：

参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。

一般是在IF=20mA时测得的。

发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。

在外界温度升高时，VF将下降。

 （7）V-I特性：

发光二极管的电压与电流的关系可用图2-6表示。

图2-6LEDV-I特性

在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。

当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。

（三）LED的分类

1．按发光管发光颜色分

   按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。

另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

   根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

散射型发光二极管和达于做指示灯用。

2．按发光管出光面特征分

  按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的