LED节能照明系统的研究与应用毕业论文

2008届本科毕业设计LED节能照明系统的研究与应用姓名：系别：专业：学号：指导教师：20年月日商丘师范学院学士学位毕业设计I目录摘要与关键词…………………………………………………………………………………………Ⅱ0引言……………………………………………………………………………………………………11LED节能照明技术概况…………………………………………………………………………………11.1传统照明技术简介……………………………………………………………………………11.2LED照明发展简介……………………………………………………………………………11.3LED优点………………………………………………………………………………………22照明用LED主要技术特性……………………………………………………………………………22.1LED的电学特性………………………………………………………………………………22.2LED的光学特性………………………………………………………………………………33照明用白光LED技术…………………………………………………………………………………43.1白光LED技术原理……………………………………………………………………………43.2照明用白光LED技术要求……………………………………………………………………53.3白光LED驱动电路技术………………………………………………………………………63.3.1白光LED驱动器的要求及分类………………………………………………………63.3.2常见典型白光LED驱动电路…………………………………………………………63.4高效率白光LED技术发展…………………………………………………………………73.5照明用白光LED封装和散热问题…………………………………………………………83.5.1白光LED的封装技术…………………………………………………………………83.5.2散热问题及解决………………………………………………………………………104LED节能照明的应用…………………………………………………………………………………105结语……………………………………………………………………………………………………12参考文献………………………………………………………………………………………………12致谢……………………………………………………………………………………………………12商丘师范学院学士学位毕业设计IILED节能照明系统的研究与应用摘要本文阐述LED节能照明的原理及应用。先分析照明技术概况，提出LED照明的优点。然后重点论述用于照明的白色光LED技术。通过对白光LED芯片的发光材料的分析，介绍其发光机理，并分析其典型驱动电路技术。同时对白光LED芯片封装及散热的探讨，提出如何在散热和封装上来提高LED芯片的发光效率。最后分析LED的应用前景。关键词照明；白光LED；原理；驱动电路；应用Energy-savingledlightingsystemsresearchandapplicationAbstractThisarticleelaboratestheLEDenergyconservationilluminationprincipleandtheapplication.Analyzesthelightingtechniquessurveyfirst,ProposestheLEDilluminationmerit.ThenthekeyelaborationusesinthewhitelightLEDtechnologywhichilluminates.ThroughdialoglightLEDchipluminescentmaterialanalysis,Introducesitsilluminationmechanism,Andanalyzesitsmodeldrivingcircuittechnology.SimultaneouslydialoglightLEDchipsealandradiationdiscussion,ProposedhowtoberadiatingandsealenhancestheLEDchiptheluminousefficiency.UltimateanalysisLEDapplicationprospect.Keywordslighting;whiteLED;Drivingcircuit;applications;Principle商丘师范学院学士学位毕业设计10引言从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。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成为可能，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。因此，LED节能照明的技术的研究具有很大的现实意义。本文就对节能的LED在照明方面的技术上与应用上作以研究和分析。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、价商丘师范学院学士学位毕业设计2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。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VVa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：1KTqVeSFfII(1)式中：IS为反向饱和电流。在VVF的正向工作区，IF随VF的增大呈指数规律上升：商丘师范学院学士学位毕业设计3KTqVSFFeII(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20FImA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，V0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FFPVI。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