家庭低压照明系设计方案.docx
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家庭低压照明系设计方案
家庭低压照明系统的设计
摘要
基于家庭低压照明的必然发展需求，简要介绍LED的结构、种类、发展历史和开发应用。
说明LED的工作原理和LED具有电气、光学和热学特性。
LED具有：
低电压，比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所；效能高，消耗能量少；适用性强，体积很小，可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境；稳定性好；响应时间短；对环境无污染；颜色多样等特点。
LED的发展方向为：
产品系列化、集成化、智能化及人性化；提高光通量利用率，最大限度的降低综合照明成本；解决大功率LED的散热技术，最大限度的延缓大功率LED的光衰。
LED室内照明应用目前还在探索阶段，成本高和光谱质量问题有待解决，市场前景广阔。
关键词：
低压；照明；LED；节能
FAMILYOFLOW-VOLATGELIGHTINGSYSTEMDESIGN
ABSTRACT
Home-basedlow-voltagelightinginevitabledevelopmentneeds,AbriefintroductionoftheLEDstructure,thetypeofhistoryandthedevelopmentandapplicationdevelopment.DescriptionLEDtheoryandLEDworkwithelectrical,opticalandthermalcharacteristics.LEDwith:
low-voltage,highvoltagepowersupplythantheuseofthepowersupplymoresecure,inparticular,applytopublicplaces。
highperformance,lowenergyconsumption。
applicability,thevolumeisverysmall,canbepreparedintovariousformsofdevices,andsuitableforvariableenvironment。
stability。
shortresponsetime。
ontheenvironmentpollution-free。
colorcharacteristicsofvarious.DirectionforthedevelopmentofLED:
Productseries,integration,intelligenceandhumanity。
improvetheluminousefficiency,thelowerthemaximumcostofacomprehensivelighting。
solutionoftheheathigh-powerLEDtechnology,themaximumdelayofthehigh-powerLEDlightfailure.LEDlightingisalsoexploringtheapplicationofthecurrentphase,andspectralqualityofthehighcostofissuestoberesolved,themarketprospects.
Keywords：
low-voltage；illumination；lightemittingdiode；EnergySaving
1、LED灯概述及LED节能灯的工作原理
2、LED灯和普通照明等相比较的优势
3、LED照明光源技术的应用前景、发展趋势及研究的方向和问题
正文：
前言：
近年来，随着家用电器的种类越来越多以及家电的广泛普及，人们生活中所使用的工具趋向于电气化，因此家庭的用电量成倍增长，用电高峰频频发生，高额的电费逐渐使人们感到难以负担。
所以节能用电成为了人类生活发展所必须解决的课题。
许多家用电器在新产品的研发上也都要求了节能方面的特性。
家庭生活中最常用的照明设备也不得不面临低压节能方面的改进。
同时，现代人对生活居住品质的高要求也难以让人们在房屋中仅仅使用单调的白炽灯来装饰。
因此，家庭照明必须由新兴的、高性能的灯具所取代。
LED作为一种新型的全固态照明器件，由于其具有省电（低电压，电流启动，相对于白炽灯省电约90%），无污染（完全无汞），性能稳定，响应快（小于60纳秒），寿命长（10万小时以上），发热量低（无热辐射），抗冲击，耐震动与成本低等众多优点，成为了新型照明灯具的首选材料，产生了LED节能灯。
LED节能灯依据LED的特性还可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，充分满足了人们对高品质家居生活多样彩色装饰照明灯的要求，从而使LED节能灯成为了现代照明的主要发展趋势，被誉为21世纪的绿色光源。
虽然，现在LED在室内照明领域的应用目前还处于探索阶段，一些技术方面的问题也有待解决，但是，LED室内照明无疑是一个非常巨大的市场，发展前景不容置疑。
正文主体：
1、LED灯概述及LED节能灯的工作原理
1.1、LED概述
1.1.1、LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，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的抗震性能好。
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。
[1]
1.1.2、单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。
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）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了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的光效得到大幅度的提高。
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）的光效可以达到50流明/瓦。
[2]
1.1.3、LED的分类
1.1.3.1、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。
1.1.3.2、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的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
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：
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）标准型（通常作指示灯用，其半值角为20°～45°）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）
1.1.3.3、按发光二极管的结构分
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。
1.1.3.4、按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度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）。
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法
1.1.4、单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。
以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。
经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。
而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
1.1.5、白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年发白光的LED开发成功。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
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光混合，可以得到得白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
目前白色LED的种类及其发光原理：
目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉，其最好的发光效率约为25流明/瓦，YAG多为日本日亚公司的进口，价格在2000元/公斤；第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED，不过发光效率较差。
某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉：
即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光，预计三波长白光LED今年有商品化的机机会。
但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。
[3]
1.2、LED节能灯的工作原理
1.2.1、LED发光机理
PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。
由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。
这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。
这就是PN结发光的原理。
1.2.2、LED发光效率
一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。
所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。
而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。
因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。
而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。
早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。
在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。
目前的方法主要是：
晶粒外型的改变——TIP结构，表面粗化技术。
1.2.3、LED电气特性
电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。
在实际使用中，应选择。
LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。
LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。
剩下的就转化为热能，使结温升高。
1.2.4、LED光学特性
LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A/。
LED发光亮度L与正向电流近似成比例：
，K为比例系数。
电流增大，发光亮度也近似增大。
另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。
1.2.5、LED热学特性
小电流下，LED温升不明显。
若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。
尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。
所以散热设计很关键。
1.2.6、LED寿命
LED的长时间工作会光衰引起老化，尤其对大功率LED来说，光衰问题更加严重。
在衡量LED的寿命时，仅仅以灯的损坏来作为LED寿命的终点是远远不够的，应该以LED的光衰减百分比来规定LED的寿命，比如35%，这样更有意义。
1.2.7、大功率LED封装
主要考虑散热和出光。
散热方面，用铜基热衬，再连接到铝基散热器上，晶粒与热衬之间以锡片焊作为连接，这种散热方式效果较好，性价比较高。
出光方面，采用芯片倒装技术，并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能，这样可以获得更多的有消出光。
1.2.8、白光LED
类自然光谱白光LED主要有三种：
第一种是比较成熟且已商业化的蓝光芯片+黄色荧光粉来获得白光，这种白光成本最低，但是蓝光晶粒发光波长的偏移、强度的变化及荧光粉涂布厚度的改变均会影响白光的均匀度，而且光谱呈带状较窄，色彩不全，色温偏高，显色性偏低，灯光对眼睛不柔和不协调。
人眼经过进化最适应的是太阳光，白炽灯的连续光谱是最好的，色温为2500K，显色指数为100。
所以这种白光还需要改进，比如加多发光过程来改善光谱，使之连续且足够宽。
第二种是紫外光或紫光芯片+红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光，发光原理类似于日光灯，该方法显色性更好，而且UV-LED不参与白光的配色，所以UV-LED波长与强度的波动对于配出的白光而言不会特别地敏感，并可由各色荧光粉的选择和配比，调制出可接受色温及演色性的白光。
但同样存在所用荧光粉有效转化效率低，尤其是红色荧光粉的效率需要大幅度提高的问题。
这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大、配合荧光粉紫外光波长的选择、UV-LED制作的难度及抗UV封装材料的开发也是需要克服的困难。
第三种是利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED混合成白光，该方法的优点是不需经过荧光粉的转换而直接配出白光，除了可避免荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以分开控制红、绿、蓝光LED的发光强度，达成全彩的变色效果（可变色温），并可由LED波长及强度的选择得到较佳的演色性。
但这种办法的问题是绿光的转换效率低，混光困难，驱动电路设计复杂。
另外，由于这三种光色都是热源，散热问题更是其它封装形式的3倍，增加了使用上的困难。
偏振LED和三波长全彩化的白光LED将是未来的发展方向。
[4]
2、LED灯和普通照明等相比较的优势
2.1、LED的特点
LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。
据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。
LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80～90%。
将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：
普通白炽灯的光效为12lm／W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm／W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm／W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫M的白光LED为20～28lm／W，寿命可大于100000小时。
有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。
[5]
2.2、与传统灯泡比起来，LED的优越之处
2.2.1、响应时间快，点亮无延迟：
传统玻壳灯泡有0.3秒的延迟；白炽灯的响应时间为毫秒级；LED灯的响应时间为纳秒级
2.2.2、更强的抗震性能，不易破损
2.2.3、发光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在10纳M以内
2.2.4、发光热量很小，对灯具材料的耐热性要求不是很高
2.2.5、光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度
2.2.6、耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%，省电节能
2.2.7、超长寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在6年以上
2.2.8、低电压：
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2.2.9、高效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
2.2.10、适用广泛：
很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
2.2.11、稳定性好：
10万小时，光衰为初始的50%
2.2.12、对环境污染小：
无有害金属汞
2.2.13、颜色多种多样：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色，更适用于制作装饰性家用照明灯具
3、LED照明光源技术的应用前景、发展趋势及研究方向
3.1、LED照明光源技术的应用前景
将LED用于室内照明，可以调节照明光源使室内光线随着早晨、中午、夜晚的时间变化，使室内的光环境接近月亮、星星、太阳等自然光。
目前半导体照明已经开始全面进入家居照明，从最简单的节日装饰灯，到桌面照明台灯、吊灯、廊灯及庭院灯，特别是与太阳能电池结合，已经成为现代生活环境的亮点，起到美化、提高生活质量的作用。
半导体照明发展速度基本是每18个月发光效率提高50%，成本下降1倍。
从美国的半导体照明计划路线图可以知道，在2007年白光LED逐步进入通用照明市场。
到2010年部分白光LED将取代荧光灯，进入到包括家居照明的主市场中。
我国在半导体照明应用市场方面已经超过美国，相信在2010年会在家居照明中占据较大的市场份额。
室内照明对光源的要求有：
保证工作、学习、生活环境达到舒适的照度标准和良好的照明质量，客观地显示物体的明暗度与色彩性，获得人眼直接观察外部景物的真实效果。
在有高发光效率、足够亮度的同时，还应该有接近自然光的色温和高的显色指数。
目前半导体照明室内化存在的主要问题一是光效需要提高；二是色温，目前采用蓝光激发黄色荧光粉合成的白光LED色温比较冷；三是显色指数，显色系数较理想的太阳光谱还有差距；四是寿命，实际寿命受多种因素的影响，距离理论10万小时的寿命还比较远；五是功率，功率低，不能满足室内照明的需要。
LED进入室内照明是半导体照明进入通用照明市场的最重要的里程碑，所面临的技术问题也是最突出的，这需要从以下几方面继续研发。
首先，改进芯片外延材料的质量，提高内量子效率及发光效率，增加LED的使用寿命；其次，改进LED的封装技术，提高出光效率，并解决大功率LED的散热问题；再次，规模化生产，降低LED的生产成本；最后，开发新技术以提高LED的色温和显色系数。
从目前国内外的技术发展来看，LED进入千家万户室内照明是一个必然的过程。
合理有效的政府组织，加上我国相关科研能力和企业基础，我们完全有信心实现这个目标。
家居照明如果普遍采用LED照明工具，这个市场将会非常巨大。
未来三五年是一个重要发展时期，半导体照明在普通照明领域会像雨后春笋般冒出来。
随着上游芯片研发新技术的成熟和供应商MOCVD外延炉容量的不断扩大，将会大大降低LED单位生产成本，从而扫除LED进入普通照明的最大成本障碍。
3.2、LED照明光源技术的发展趋势
长期以来，由于LED光效低的原因，其应用主要集中在各种显示领域。
随着超高亮度LED（特别是白光LED）的出现，在照明领域的应用成为可能。
据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代新光源。
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”的要求还远远不够，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。
美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。
日本100%白炽灯换成LED，可减少1～2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。
台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。
日本早在1998年就编制“21世纪计划”，针对新世纪照明用LED光源进行实用性研究。
近年来，日本日亚化工、丰田合成、SONY、佳友电工等都已有LED照明产品问世。
世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入大量的人力物力进行LED照明产品的研究开发和生产。
美国GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，专门开发白光LED，以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。
德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统。
台湾目前的LED产量仅次于日本列在美国之前，从1998年开始投入6亿台币进行相关开发工作。
[6]
LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。
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。
3.3、LED照明光源技术研究的方向和问题
3.3.1、LED室内照明产品的开发方向
LED在室外照明工程中的应用已经非常普遍，但在室内照明工程的应用却处在初步阶段，这一方面是因为流明成本太高的因素，另一方面也是因为LED室内照明的产品种类太少，照明设计人员苦于无从选择，而给室内照明产品的推广设置了障碍。
个人认为，LED室内照明产品的开发和推广应注重以下五个方面：
3.3.1.1、产品系列化
应用于室内照明的传统灯具可谓是名目繁多，筒灯、射灯、格栅灯、花灯和吊灯等组成了商业照明和家居照明两大领域，主导着室内照明的方向，而目前应用于室内照明LED产品主要就是LED杯灯、LED地砖等装饰性照明灯具，其它常见
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