最新精品论文LED节能照明系统的研究与应用.docx

最新精品论文LED节能照明系统的研究与应用.docx

《最新精品论文LED节能照明系统的研究与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新精品论文LED节能照明系统的研究与应用.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

最新精品论文LED节能照明系统的研究与应用

19.每个对象都可以对一个被称为事件的动作进行识别和响应。

下面关于事件的描述中，错误的是________。

B.SELECTSUBS（学号,3,2）AS专业,AVG（成绩）AS平均分FROM选课WHERE课程号=”101”GROUPBY1

30、DNS

A.单一索引文件（IDX）B.结构化复合索引文件

clear

A.EMPTY（.NULL.）B.LIKE（"ABC","AC?

"）

英语N51存放英语成绩

clear

2.“项目管理器”的“数据”选项卡用于显示和管理________。

B.表中各个字段彼此之间有一定的关系目录

0概述……………………………………………………………………………………………………1

1LED节能照明技术概况…………………………………………………………………………………2

1.1传统照明技术简介……………………………………………………………………………2

1.2LED照明发展简介……………………………………………………………………………3

1.3LED优点………………………………………………………………………………………3

2照明用LED主要技术特性……………………………………………………………………………4

2.1LED的电学特性………………………………………………………………………………4

2.2LED的光学特性………………………………………………………………………………5

2.3LED的节能程度………………………………………………………………………………6

2.4LED的散热方式………………………………………………………………………………6

3照明用白光LED技术…………………………………………………………………………………9

3.1白光LED技术原理……………………………………………………………………………10

3.2照明用白光LED技术要求……………………………………………………………………10

3.3白光LED驱动电路技术………………………………………………………………………12

3.3.1白光LED驱动器的要求及分类………………………………………………………12

3.3.2常见典型白光LED驱动电路…………………………………………………………13

3.4高效率白光LED技术发展…………………………………………………………………14

3.5照明用白光LED封装和散热问题…………………………………………………………15

3.5.1白光LED的封装技术…………………………………………………………………15

3.5.2散热问题及解决………………………………………………………………………16

4LED集中照明的应用…………………………………………………………………………………17

5结语……………………………………………………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………………………………………18

LED概述

LED是英文LightEmittingDiode的简称，是一种具有两个电极的半导体发光器件，让其流过小量电流就会发出可见光，第一个商用二极管产生于1960年。

它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的支架上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能非常好。

LED的构成

●LED因其颜色不同,而其化学成份不同:

●如红色：

铝-铟-镓-磷化物

●绿色和蓝色:

铟-镓-氮化物

●白色和其它色都是用RGB三基色按适当的比例混合而成的。

（LED的制造过程类似于半导体,但加工的精度不如半导体,目前成本仍然较高）

LED工作原理和结构图

LED是英文lightemittingdiode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p-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。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

打个比方，LED就像一个汉堡，可以发光的材料是夹层中的“肉饼”，而上下的电极就是夹肉的面包。

而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件，但是无论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化

LED的优点:

●10万小时超长寿命；

●可组成各种颜色（如RGB等）

●驱动相对简单（无需触发电压）

●节能，效率比白灯高,并有进一步提高的潜力.

●体积小,灯具设计灵活.

●响应时间短；

●环保：

无有害金属汞。

●低压，安全性高

LED目前在照明行业中的主要应用范围：

●建筑物外观照明

●娱乐场所及舞台照明

●室内空间展示照明

●道路、景观照明

●标识与指示性照明

●交通信号灯、视频屏幕

市面上常见的LED灯具有如下：

LED地埋灯、LED水底灯、LED草坪灯、LED轮廓灯、LED彩虹管、LED灯杯、LED投光灯、LED射灯、LED地砖灯、LED墙壁灯、LED球泡等。

随着LED光效的提高的、关键技术的不断完善和优化，目前有多家企业推出了太阳能和大功率LED相结合的太阳能半导体路灯。

常见LED的分类

1.按发光管发光颜色分成红色、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。

散射型发光二极管不适合做指示灯用。

2.按发光管出光面特征分为圆灯、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的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）[6-8]。

由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。

从发光强度角分布图来分有三类：

1）高指向性。

一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。

半值角为

5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自

动检测系统。

2）标准型。

通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。

3）散射型。

这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。

3.按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封

装等结构。

4.按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度小于10mcd）；超高亮度的LED（发光强度大于100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。

一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

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有这几个重要的发展成果：

①白炽灯，主要以钨丝作灯丝因为钨有高熔点及低蒸发率。

白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以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p-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。

现在照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯，而以后的希望，就将是白光LED。

LED技术可以应用在普通照明、背光照明、道路交通、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域[1]。

应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。

直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。

1996年成功开发出白色LED。

LED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，无法作为通用光源大面积推广。

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。

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。

LED照明的变革将扩展人们的照明观念，更加体现节能化、健康化、艺术化和人性化的发展趋势[2]。

1.3LED优点

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。

LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得到海量的应用，欧司朗光学半导体公司2008年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。

LED光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。

以1WLED光源为例，2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一，2009年春将降至2006年的四分之一。

LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！

LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。

LED高节能：

直流驱动，超低功耗（单管0.03瓦-1瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

LED长寿命：

LED光源被称为长寿灯。

固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

LED利环保：

LED是一种绿色光源，环保效益更佳。

光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

LED光源工作特点

照明用LED光源的VF电压都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。

LED灯具使用的LED光源有小功率（IF=15-20mA）和大功率（IF>200mA））二种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。

功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。

在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势无法体现。

2照明用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PN结性能主要参数。

LED的伏安特性具有非线性和单向导电性，即外加正向偏压表现为低电阻，反之为高电阻。

如图1所示。

图1伏安特性曲线

（1）正向死区（图1中的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

开启电压对不同的LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。

（2）正向工作区，工作电流IF与外加电压呈指数关系：

（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）反向死区，V<0时，PN结加反响偏压。

（4）反向击穿区，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。

半导体的光学特性[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）。

②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PN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。

③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）。

④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。

⑤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（尼特）。

⑥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。

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。

发光二极管主要由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照明光源的主流将是高亮度白光LED。

2.3LED的节能程度

LED照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。

LED光源使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低，因而在家庭照明都将得到海量的应用，欧司朗光学半导体公司2008年调查统计，全球每年家庭照明灯座出货量约为500亿个。

LED光源的技术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长，促使其逐年递减降价。

以1WLED光源为例，2008年春的价格已是2006年春的价格三分之一，2009年春将降至2006年的四分之一。

LED绿色灯具的海量市场和持续稳定数年增长需求将是集成电路行业继VCD、DVD、手机、MP3之后的消费电子市场的超级海啸！

LED灯具的高节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。

LED高节能：

直流驱动，超低功耗（单管0.03瓦-1瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。

LED长寿命：

LED光源被称为长寿灯。

固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰快等缺点，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

LED利环保：

LED是一种绿色光源，环保效益更佳。

光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

LED光源工作特点

照明用LED光源的VF电压都很低，一般VF=2.75-3.8V，IF在15-1400mA；因此LED驱动IC的输出电压是VFXN或VFX1,IF恒流在15-1400mA。

LED灯具使用的LED光源有小功率（IF=15-20mA）和大功率（IF>200mA））二种，小功率LED多用来做LED日光灯、装饰灯、格栅灯；大功率LED用来做家庭照明灯、射灯、水底灯、洗墙灯、路灯、隧道灯、汽车工作灯等。

功率LED光源是低电压、大电流驱动的器件，其发光的强度由流过LED的电流大小决定，电流过强会引起LED光的衰减，电流过弱会影响LED的发光强度，因此，LED的驱动需要提供恒流电源，以保证大功率LED使用的安全性，同时达到理想的发光强度。

在LED照明领域，要体现出节能和长寿命的特点，选择好LED驱动IC至关重要，没有好的驱动IC的匹配，LED照明的优势无法体现。

2.4LED的散热方式

散热是LED路灯要重点解决的问题。

LED是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，但是，LED本身耐温能力比较差，所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去，保证芯片工作在安全的温度环境下，这样LED灯才能真正的体现出长寿命的优势。

LED的管芯和涂覆的荧光粉都是在几XX的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐温能力。

但是，LED的外壳和管芯之间存在热阻，这个热阻使LED在使用时外壳和管芯之间出现温差，管芯的温度会高于外壳温度。

由于发光管生产技术的进步，大功率发光管内部的热阻越来越低，目前1瓦的发光管的热阻普遍在15度/瓦以下，也就是说，给1瓦的发光管加1瓦的电功率，管芯比管壳的温度只高15度。

按照目前发光管管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150度就能长期安全的工作。

这样推算，外壳温度135度时可以安全使用。

但是，由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过70度，这样管芯温度只有85度，发光管的透明封装材料也不会快速老化。

长期稳定工作没有问题。

因此，没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低，但必须