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LED节能照明系统的研究与应用.doc

LED节能照明系统的研究与应用.doc

上传者: udbhplj 2012-12-11 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《LED节能照明系统的研究与应用doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含西安科技大学高新学院LED室内集中照明设计LED教室集中照明设计与应用姓名:专业:测控技术与仪器班级:学号:目录概述…………………………………………符等。

西安科技大学高新学院LED室内集中照明设计LED教室集中照明设计与应用姓名:专业:测控技术与仪器班级:学号:目录概述……………………………………………………………………………………………………LED节能照明技术概况…………………………………………………………………………………传统照明技术简介……………………………………………………………………………LED照明发展简介……………………………………………………………………………LED优点………………………………………………………………………………………照明用LED主要技术特性……………………………………………………………………………LED的电学特性………………………………………………………………………………LED的光学特性………………………………………………………………………………LED的节能程度………………………………………………………………………………LED的散热方式………………………………………………………………………………照明用白光LED技术…………………………………………………………………………………白光LED技术原理……………………………………………………………………………照明用白光LED技术要求……………………………………………………………………白光LED驱动电路技术………………………………………………………………………白光LED驱动器的要求及分类………………………………………………………常见典型白光LED驱动电路…………………………………………………………高效率白光LED技术发展…………………………………………………………………照明用白光LED封装和散热问题…………………………………………………………白光LED的封装技术…………………………………………………………………散热问题及解决………………………………………………………………………LED集中照明的应用…………………………………………………………………………………结语……………………………………………………………………………………………………参考文献………………………………………………………………………………………………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pn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。LED的优点: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。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φmm、φmm、φmm、φmm、φmm及φmm等。国外通常把φmm的发光二极管记作T把φmm的记作T()把φmm的记作T()。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~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~。)散射型。这是视角较大的指示灯半值角为~或更大散射剂的量较大。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。按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度小于mcd)超高亮度的LED(发光强度大于mcd)把发光强度在~mcd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mA以下(亮度与普通发光管相同)。LED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年白炽灯问世它以碳棒作为灯丝是照明技术的巨大改进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。传统照明技术简介在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: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V白炽灯的照明效率在K时约为lmW一般W白炽灯只有的电功率转变为可见光。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。日光灯一般日光灯用低压放电可以产生K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。低压钠灯用钠代替汞可以得到含有nm及nm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。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。高压钠灯可以产生W功率演色性差不适合用于室内照明。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。LED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pn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。应用半导体PN结发光源原理制成LED问世于世纪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。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。LED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单管功率瓦采用直流驱动单管驱动电压伏电流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年调查统计全球每年家庭照明灯座出货量约为亿个。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WLED光源为例年春的价格已是年春的价格三分之一年春将降至年的四分之一。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、MP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(单管瓦瓦)电光功率转换接近相同照明效果比传统光源节能以上。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万到万小时比传统光源寿命长倍以上。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=VIF在mA因此LED驱动IC的输出电压是VFXN或VFX,IF恒流在mA。LED灯具使用的LED光源有小功率(IF=mA)和大功率(IF>mA))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。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。LED的电学特性IV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。如图所示。图伏安特性曲线()正向死区(图中的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<Va时外加电场尚未克服少数载流子扩散而形成势垒电场此时电阻R很大。开启电压对不同的LED其值不同GaAs为V红色GaAsP为VGaP为VGaN为V。()正向工作区工作电流IF与外加电压呈指数关系:()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:()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IFm(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V。在环境温度升高时正向工作电压VF将下降。()反向死区V<时PN结加反响偏压。()反向击穿区V<VRVR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。LED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。半导体的光学特性及其材料性能可以用于发光照明。LED光学特性: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。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。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cdm或Nit(尼特)。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。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mil(mil=平方毫米)目前国际上出现大晶片LED晶片面积达mil。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。LED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年调查统计全球每年家庭照明灯座出货量约为亿个。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WLED光源为例年春的价格已是年春的价格三分之一年春将降至年的四分之一。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、MP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(单管瓦瓦)电光功率转换接近相同照明效果比传统光源节能以上。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万到万小时比传统光源寿命长倍以上。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=VIF在mA因此LED驱动IC的输出电压是VFXN或VFX,IF恒流在mA。LED灯具使用的LED光源有小功率(IF=mA)和大功率(IF>mA))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。LED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百度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瓦的发光管的热阻普遍在度瓦以下也就是说给瓦的发光管加瓦的电功率管芯比管壳的温度只高度。按照目前发光管管芯材料的耐温水平管芯温度不超过度就能长期安全的工作。这样推算外壳温度度时可以安全使用。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度这样管芯温度只有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减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。 要有效的散热减小灯的体积和生产成本灯体必须有合理的散热结构。问题是怎样合理的把发光管产生的热量传导到外壳上怎样有效的增大外壳和空气的接触面并且有利于空气在外壳表面上的流动就是灯体热结构设计要解决的问题。热传导系数自然是越高越好但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用铁则由于热传导率过低无法满足高热密度场合的性能需要不适合用于制作高性能散热片。铜的热传导系数同样很高可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件在散热片中使用较少。铝作为地壳中含量最高的金属因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐但由于纯铝硬度较小在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金为此获得许多纯铝所不具备的特性而成为了散热片加工材料的理想选择。各种铝合金材料根据不同的需要通过调整配方材料的成分与比例可以获得各种不同的特性适合于不同的成形、加工方式应用于不同的领域。上表中列出的种不同铝合金中:AA与AA具有不错的热传导能力与加工性适合于挤压成形工艺在散热片加工中被广为采用。ADC适合于压铸成形但热传导系数较低因此散热片加工中通常采用AA铝合金代替可惜加工机械性能方面不及ADC。AA则具有较好的延展性适合于冲压工艺多用于制造细薄的鳍片。通过以上分析我们确定了采用AAOO选择一次性压铸成型来实现灯体的制作。d、采用一体化铝合金压铸LED路灯设计思路:、散热灯壳研究:根据道路照明灯具的功能需要及灯具的防护安全等级的规定我们将整个灯具分成三部分来设计整体散热外壳。光源室电器室选择AA铝合金压铸一次性成型。散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器其性能应满足三个要求:吸热快、热阻小、去热快。吸热快:即吸热底与LED模块间热阻小可以迅速的吸收其产生的热量。为了达到这种效果就要求吸热底与LED模块结合尽量紧密令金属材料与LED模块直接接触最好能够不留任何空隙。散热器的整体热阻就是由与LED模块的接触面开始逐层累计而来吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力我们在设计灯具时首先满足吸热底有足够的厚度同时考虑LED模块的安装孔位进行加筋也加强了灯具的整体性和机械强度。热阻小:为了提升吸热能力希望散热片与LED模块紧密结合不留任何空隙压铸出来的表面这是无法实现的。吸热底与LED模块之间必然存在一定的空隙如果空隙中是高热阻的空气就无法得到良好的导热效果因此应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料使用它只是权宜之计并非真正的解决之道要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的通常散热片的底部稍经处理即可达到mm以下采用铣床或多道拉丝处理可以达到mm散热片的吸热底越平整热阻越小越有利于热量吸收但由于无法做到完美涂抹导热膏成为了LED模块安装到散热器的必须步骤从而达到吸热的最佳效果。去热快由于我们将LED模块的吸热底和散热鳍片压铸成一体即能够将从LED组吸收的热量迅速的传导到鳍片部分整个灯体和散热鳍片上部是裸露于空中的而且我们的鳍片的方向是平行于道路需要散发的热气与气流方向一致不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留进而由流动的气流顺利带走而散发以最快是速度将热量散发。由于我们在灯体的设计上对整个灯体的上部无任何开口整体的加工为铝合金一次性压铸成型在整体的上部不存在渗水和防尘的烦恼仅对灯体向下方向的光源室和电器室进行防护即可这样防护问题就简单了只需采用硅橡胶条进行防水防尘就能达到IP的防护等级。通过以上的研究我们开发的一体化LED路灯散热灯头具有吸热快热阻小散热顺畅防护等级高机械强度好的优点。能将LED模块结温控制在摄氏度以下这在LED应用照明上具有突破性意义将LED照明从可能变为可以。.光源室配光研究:LED光源之所以适合用于局部照明是由于LED模块在生产时就可以制作成各种发光角度和各种功率的产品利用特定发光角的光源做局部照明可以使光源发出的光得到更有效的利用和传统的不便控制发光角度的光源相比可以用比较小的功率达到同等要求的照明效果因而实现节能的目的。路灯主要是为了照亮路面因而属于局部照明。对路灯产品来讲与车灯、电筒等产品的光照要求不同光束要求有一定的范围市场现有的产品一般采用透镜来解决这个问题不同特性的LED管配用不同曲光度的透镜互换性不好。为解决这个问题我们的产品独辟蹊径光源室采用内置导光多角度平面合理组合的方法解决成本低可适用于不同LED管(不同LED管发射角不同只要选择不同的导光面的安装LED模块即可以改变出光的角度)。另外其出光是一规则的长方形照射面。其照射面更宽而且亮度增大路面照射均匀。路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题采用在不同的内置导光面安放不同功率的LED模块使整个照度范围内地面的光强大至均衡。由于采用了以上光的导向思路使得该产品具有更好的照明效果。我们的LED路灯配光和结构所采用的具体技术方案是:大功率LED路灯由带散热片的灯体、LED模块、透光罩、盖板、密封胶条组成散热壳体一面上的一端设有一个光源室在其光源室的凹口周边配装有钢化玻璃透光罩在散热灯体的光源室内设有五个不同角度的模块安装面在光源室的导光安装面上按不同的配置需要安装安装~个不同的LED模块单元并按“”或“”形式安装。上述的呈“”或“”形式安装可以是两侧照明单元所采用的LED模块功率比中间照明的LED模块功率大。用多种功率组合的LED模块组成的LED路灯利用其光的导向性可以有效的控制光线的分布范围使LED模块发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展。光的导向是做好LED路灯的重要环节。为了有效的利用光线应该发挥发光管照射方向便于调控的优势使发光管发出的光形成一条光带铺在路面上而不要在无效方向上散射。要做到这一点结构上的办法是用多种功率的LED模块组合按“”或“”形式安装。分别兼顾不同的照射距离。分别用于照射附近路面中距离路面远距离路面使LED输出的光均匀的覆盖两盏灯之间的半距离路面覆盖宽度基本上和路面宽度吻合这样就可以用比较小的功率有效的照亮道路。这就需要很好的设计这几组LED模块的安装角解决光的导向。实践证明这样制作的LED路灯瓦左右的功率就能超过瓦纳灯对路面的照明效果以瓦左右就能达到瓦的照明效果节能效果显著。LED的工作电流由于LED器件反向耐压参数在标准中规定得非常低(VRV)因此用交流供电时须严防反向过压而致PN结击穿损坏在电子制作网下面实用LED电路图中我们采用直流供电压来使发光二极管正常发光目的是让发光非常稳定而没有交流电压的频闪对延长LED寿命有积极的作用。首先我们应合理选定LED灯的工作电流LED的正向极限电流IFm多在mA左右而且LED的光衰电流不能大于IF大约mAmA。实践验证LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比当IF>mA时亮度的增强已无法用肉眼分辨实际亮度已经没有增加了。因此LED的工作电流一般选在mA左右较为合理此时LED的电光转换效率较高LED的光衰电流合理。图1是LED器件的工作电流发光强度特性的关系图。LED的电流在mA时LED的温度开始上升那么温度上升对LED的光衰开始加速如果我们将传统发光二极管的寿命和现在的超高亮发光二极管混为一谈那就大错特错了。对于LED来说温度是它寿命的刻星所以我们必须遵守这个原则。LED灯除了直流供电外也可采用交流电网供电。白色LED的正向压降VFV。采用变压器供电体积大能耗较多其优点是使用安全。应用容抗Xc为LED灯作镇流的交流电网供电体积小能耗省但缺乏与电网的隔离使用中须注意安全。最简电路如图2所示。由于LED器件反向耐压参数在标准中规定得非常低(VRV)因此用交流供电时须严防反向过压而致PN结击穿损坏在电子制作网下面实用LED电路图中我们采用直流供电压来使发光二极管正常发光目的是让发光非常稳定而没有交流电压的频闪对延长LED寿命有积极的作用。LED灯的电流与镇流电容C的容量有关其关系式为:I=U/Xc=2πfCU。由此可知在VHz交流电网下μF容量的电容器可为负载提供约mA的工作电流若需为LED灯提供~mA的工作电流镇流电容器C选用0.22~0.33μF的容量即可。镇流电容器C的耐压应为:UcU。V电网中C应选V耐压的电容器。LED灯制作简便灵活完全可根据亮度、色彩或形式自定。增加LED器件用量或采用高亮度LED可增强LED灯的亮度。此外不同光色的LED的发光亮度也不一样绿色的最亮橙黄色次之而红色的最低。LED灯既可选用单色也可选用不同色彩的LED混合使用既可制成单灯也可组成发光极、字符、图案、灵活多便以适应不同需求的设计。如果要想延长LED的使用寿命必须考虑LED的电流和温升的关系。LED的参数据光学来分它的技术参数如下:LED的光学参数中重要的几个方面就是:光通量、发光效率、发光强度、光强分布、波长。发光效率和光通量发光效率就是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性这是衡量现代光源性能的一个重要指标。发光强度和光强分布LED发光强度是表征它在某个方向上的发光强弱由于LED在不同的空间角度光强相差很多随之而来我们研究了LED的光强分布特性。这个参数实际意义很大直接影响到LED显示装置的最小观察角度。比如体育场馆的LED大型彩色显示屏如果选用的LED单管分布范围很窄那么面对显示屏处于较大角度的观众将看到失真的图像。而且交通标志灯也要求较大范围的人能识别。波长对于LED的光谱特性我们主要看它的单色性是否优良而且要注意到红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下比如交通信号灯对颜色就要求比较严格不过据观察现在我国的一些LED信号灯中绿色发蓝红色的为深红从这个现象来看我们对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。照明LED产品性能参数:半导体二极管(LED)因其体积小、定向发射光、高亮度、PN结电特性等特点从而在品质的评价和检测方法方面产生许多新的问题。不同的应用场合决定了对LED产品的性能要求也不同。从光学性能来看用于显示的LED主要是亮度、视角分布、颜色等参数。用于普通照明的LED更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参数而生物应用的LED则更关心生物有效辐射功率、有效辐射照度等参数。此外发光二极管既是一种光源又是一种功率型的半导体器件因此有关它的质量必须从光学、电学和热学等诸多方面进行综合评价。从目前LED产品的结构及产业发展的角度看照明LED产品主要需考虑光学性能、电性能、热性能、辐射安全和寿命等几方面的参数。光学性能。LED的光学性能主要涉及到光谱、光度和色度等方面的性能要求。根据新制定的行业标准“半导体发光二极管测试方法”主要有发光峰值波长、光谱辐射带宽、轴向发光强度、光束半强度角、光通量、辐射通量、发光效率、色品坐标、相关色温、色纯度和主波长、显色指数等参数。显示用的LED主要是视觉的直观效果因此对相关色温和显色指数不作要求而照明用的白光LED上述两个参数就尤为重要它是照明气氛和效果的重要指标而色纯度和主波长一般没有要求。电性能。LED的PN结电特性决定了LED在照明应用中区别于传统光源的电气特性即单向非线性导电特性、低电压驱动以及对静电敏感等特点。目前主要的测量参数包括正向驱动电流、正向压降、反向漏电流、反向击穿电压和静电敏感度等。热性能。照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一与此同时LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。辐射安全。目前国际电工委员会IEC将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射的安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害因此对于不同场合应用的LED国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法目前在欧盟和美国照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求执行。可靠性和寿命。可靠性指标是衡量LED在各种环境中正常工作的能力。在液晶背光源和大屏幕显示中特别重要。寿命是评价LED产品可用周期的质量指标通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中有效寿命是指LED在额定功率条件下光通量衰减到初始值的规定百分比时所持续的时间。照明用白光LED技术白光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mA时正向电压的变化很大变化量的范围大约在mV(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(lmW)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K)与灯泡(色温为K)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。表白光LED的种类及发光原理芯片数激发源发光材料发光原理蓝光LEDInGaNYAGInGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光蓝光LEDInGaN荧光粉InGaN的蓝光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光蓝光LEDZNse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LEDInGaN荧光粉InGaN的紫外光激发的红、绿、蓝三基色荧光粉发光蓝光LED黄绿LEDInGaNGaP将具有补色关系的两种芯片封装在一起构成白光LED蓝光LED绿光LED红光LEDInGaNAlInGaP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LEDInGaNGaPAlInGaP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。其中主要以两种方式发光。以nm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nm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nm。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InGaNYAG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K的各色白光。结构如图所示。:LED芯片发蓝光:LED荧光粉发黄光图LED封装结构图照明用白光LED技术要求()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Klm。不过光通量为Klm和Klm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lmW所以一个W白炽灯的光通量与W(lmW)的白光功率LED器件相当。发光效率:目前产业化产品已从lmW提高到lmW研究水平为lmW最高已达到lmW。色温:为K最好在K。显色指数Ra最好达到至少应该大于。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。()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。()相关色温或简称色温一般白炽灯的色温在K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K是柔和的白光白天的光色温约K适合与工厂所以一般色温都应该在这些范围内。()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。()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nm转换为nm时。表中列出用不同波长产生白光时的FOM以及与nm相对的FOM值。表在不同波长LED上添加荧光粉所产生白光的特性芯片主波长nm相对于nm晶片的电光转换效率发光效率(nmW)斯托克斯频移品质因数相对于m波长时的品质因数变化白光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V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。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V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DCDC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V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DCDC变换器直接由市电V或V或相应的高压直流V供电主要用于驱动大功率白光LED采用升压式DCDC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A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。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DCDC变换器。DCDC变换器有电感是DCDC变换器及电荷泵式DCDC变换器两大类。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白光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背光照明单元的驱动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并联驱动方式因电压波动引起白光LED亮度不相同时背光照明单元的光线就会有照明不均匀的问题。虽然使用电器特性相同的白光LED可以改善亮度不均匀问题但实际上无法获得电气特性相同的白光LED。应根据个白光LED的电气特性逐一调整负载电阻。但是实际上这种方式不是解决问题的方式。为使白光LED的电流相同可以用串联方式如图所示的方式。由于电流I相同亮度几乎一致。图传统背光照明单元的白光LED串联驱动方式当多个白光LED串联时必须等比例提高电压。如图所示利用开关变压器NJM的白光LED驱动电路。电路的基准电压VREF为V加在VIN端子。此方式中电阻RL的阻止决定了影响白光LED亮度的个LED的电源ILEDILED可以有公式得到:()假设个LED的电流ILED为mARL约为Ω三只V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。因此LED照明将越来越占据重要地位。高效率白光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nm、外部量子效率为的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。如图中外形呈梯状结构的LED是对光取出效率所作的改善。图AlGaInP系TIPLED结构为获得完美的高演色性()基本上

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