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1、东 莞 理 工 学 院本 科 毕 业 设 计毕业设计题目：基于光学软件设计的太阳能LED路灯学生姓名： 学 号：20041306102系 别：电子工程系专业班级：光信息科学与技术1班 指导教师姓名及职称： 起止时间：2008年3月 2008年6月摘 要本文讲述了太阳能LED路灯的现状和应用前景，探讨研究一款用锂电池蓄电，能实时控制的新型太阳能LED路灯。简述了太阳能电池组件、锂电池组件、充放电和照明控制器等部件的知识及其设计方案。着重研究LED的原理和知识，LED照明产业的发展概况，LED热结构设计分析，LED驱动设计，并对LED驱动数据进行计算讨论。还探讨用新型的FRED光学软件来设计LED
2、和分析道路照明特性，并用FRED分析路灯性能和价值。最后，讨论了太阳能LED路灯的突出优势及其经济和社会效益，表明它将会是二十一世纪广泛应用的绿色照明产品。关键词 太阳能 锂电池 充放电路 控制器 照明系统 LED FREDAbstractThis paper presented the actuality and the future of solar LED street lamp. It probed into investigation of a new solar LED street lamp that energized by a lithium battery and can
3、be real-time controlled. It simply summarized the knowledge and design of solar cells module, lithium battery module, charge-discharge circuit and lighting controller. It mainly studied the principle and knowledge of LED, the development of LED lighting, the design and analyse of LED thermal structu
4、re, the design of LED driver. And then counting and discussing the dater of driver. Further more, it probed the LED designed and the lighting of street analyzed by the new optical software of FRED, and analyzing the capability and value of the street lamp through FRED. Finally, the paper discussed t
5、he solar LED street lamp with its advantages and good economic and social benefits. It indicated that it will be widely used for the green lighting products in the 21st century. Key words：Solar energy; Lithium batteries; Charge-discharge circuit; controller; lighting system; LED; FRED目 录1引言.12总体方案的设
6、计及原理. 12.1 总体方案设计. . 13太阳能LED路灯部件设计. 23.1太阳能电池组件.23.2蓄电池组件. .43.3充放电及照明控制器. . 64LED技术与应用. 84.1 LED的发展前景及优势. . 84.2 LED基本结构与发光原理. . 95LED灯具设计. 125.1 LED灯选择. 125.2 LED驱动电路设计. 135.3 LED灯体热结构分析设计. 186光学软件介绍与选择. . 206.1 光学软件. 206.2 FRED软件介绍. .206.3 FRED软件功能特性和应用领域. 207照明系统分析. . 217.1 FRED软件分析LED照明. 217.2
7、 LED灯具整体设计. 258 太阳能LED路灯照明可行性分析. 298.1 太阳能LED路灯的优势.298.2 太阳能LED路灯成本估算. 308.3 太阳能LED路灯产业化分析. .309总结. . 32附录.33参考文献.42致谢.431引言当煤炭、石油等不可再生能源频频告急时，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。这个时候，全世界都把目光投向了清洁的可再生能源太阳能，希望太阳能能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。在照明光源领域里
8、，人们也在不断寻找，而LED，即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。与传统光源不同，LED采用电场发光和低压供电。它具有寿命长、光效高、光色纯、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、耐击打等一系列优点，被誉为21世纪新固体光源时代的革命性技术。近年来，随着太阳能发电和LED照明产业的迅速发展，各种路灯新产品不断涌现。在照明灯具中，作为技术和艺术相结合的太阳能LED路灯，开始在世界各地推广应用。太阳能LED路灯具有很多优点：安全可靠，维护方便；不需要常规能源，不污染环境；可以根据需要随处安装，不用连接公共电网，因此安装时不必挖掘路面或草地，无须开沟埋设电缆。为适应能源开发和环境
9、保护的需求， 无污染的可再生能源越来越受到人们的重视，而太阳能发电技术和LED照明的推广，国内外还处于积极的探索中，而且大规模的太阳能发电并网应用短期内还难以实现， 但小系统户用电源已有一定的用户市场。近年来太阳能LED路灯，庭院灯，草坪灯和景观灯等的市场发展较快，据相关资料显示，这方面的市场还将持续较长的增长过程1。为了响应持续发展的号召，太阳能充裕的广东省，2004年决定在广州和深圳两试点推广应用太阳能技术；2007年又发出通知，可能强制符合条件的民居安装太阳能装置。当前广东在应用太阳能热水器和太阳能路灯已有了一定雏形，在广州、深圳、珠海和东莞已经应用了太阳能路灯或者LED路灯。为缓解用电
10、需求快速增长与电力供应紧张的矛盾，东莞市将出台关于实施东莞市路灯节电改造工程的意见，争取三年内完成全市路灯的半导体照明（LED）技术改造，新安装路灯原则上要采用LED路灯；逐步向党政机关、事业单位推广。按照城市照明高效、节能、环保、安全的指导原则，通过政府推动、整体规划、试点先行、逐步铺开的方式，东莞争取三年内完成全市路灯（含公园广场照明灯、园林绿地景观灯等）的LED照明改造，新安装的路灯原则上都要采用LED路灯；逐步推广党政机关、事业单位照明灯LED改造，鼓励住宅小区、企业使用LED照明灯。以此为契机，对太阳能LED路灯进行探索性的研究，用投入生产和市场价值的眼光分析，对当前技术和发展进行一
11、系列的调查和分析，制作一款较大功率照明的太阳能LED路灯，对充放电控制电路和LED控制电路，以及LED驱动电路、LED灯具的进行设计与制作，设计出具有实时控制，全自动的照明系统，并用光学软件对照明特性进行模拟分析，分析其性能和可行性，再分析其性能指标和应用价值。2总体方案的设计及原理2.1总体方案设计2.1.1太阳能LED路灯原理图1 太阳能LED路灯原理Fig.1 the principle of solar LED street lamp如图1所示，白天，太阳能电池板根据光伏效应原理将太阳能转化为电能，其电流经过充放电控制系统给蓄电池充电。充电到一定程度时，控制器内的自动保护系统动作，切断
12、充电电源；晚间，单片机根据时间和电压等参数的控制（也可以利用光敏电阻等做开关作用），启动控制器，蓄电池经过自动控制照明系统，给LED灯供电，使LED能够按时间长短，明暗程度和全、半功率等情况进行照明；凌晨，同样单片机又启动控制器，切断照明灯电源，重新开始进行转化太阳能为电能的工作，如此循环工作，实现全自动化，智能化。2.1.2太阳能LED路灯综合设计太阳能电池组件：采用17W一块的多晶硅电池板，峰值电压，电流值。用于太阳能与电能的转换，并作为蓄电池充电的电源。蓄电池组件及控制器：采用4节（峰值电压约为16.8V）组成的锂电池组件进行蓄电，对于其充电、放电以及保护的集成电路，则采用STC89C5
13、2单片机系统，以及PWM脉冲调制控制的保护技术，利用控制输出波形的占空比，通过开关管的导通与闭合来控制充放电，达到了快充，平稳充电，并且过充，过放保护有良好的保证。利用单片机的定时功能可以控制照明灯亮灯的时间，照明控制亮与灭，以及照明时间，则是利用单片机对照明灯的控制脚的改变，来控制灯的开与关，并且编程序来对灯的照明进行定时，合理设置其照明时间；另外还加有光敏电阻的配合控制白光与晚上的亮暗程度，从在整体上照明控制稳定性能得到提高2。LED驱动电路设计：设计一个32W的LED灯具，用锂电池对灯具供电时，需设计成合适的电流和电压供给LED灯，本方案采用台湾MACROBLOCK公司生产的LED 驱动
14、芯片MBI1802来驱动，此芯片功能齐全，效率高，并提供过温保护的功能，性能稳定。FRED光学软件分析：用功能强大的FRED光学软件对单个LED的发光特性进行分析，其中包括照度，强度，色度等光学特性的分析；并对由32个LED组成的路灯进行路面照明的分析。3.太阳能LED路灯部件设计太阳能LED路灯主要由太阳能电池板、蓄电池、充放电集成控制电路、LED灯照明控制，LED灯具等部件组成3。下面对各部件进行知识和功能的介绍，构思和设计的分析。3.1太阳能电池组件3.1.1太阳能电池分类（1）硅太阳能电池；（2）以无机盐如：砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜、铟、硒等多元化合物为材料的电池；（3）功能
15、高分子材料制备的太阳能电池；（4）纳米晶太阳能电池等。硅太阳能电池技术相对较成熟，半导体材料的禁带不是太宽，光电转换率较高，材料本身不造成污染，所以硅是目前最理想的太阳能电池材料。以其他材料为基础的太阳能电池也正在研制和发展过程中。目前，太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上，个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到30左右。3.1.2硅太阳能电池单晶硅电池：目前，单晶硅太阳能电池光电转换率最高（20左右），技术最为成熟，但由于单晶硅材料价格过高，制造工艺繁琐，造成单晶硅成本价格居高不下，成为发展单晶硅太阳能电池的一大障碍，现在正在逐渐被多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池等取
16、代。单晶硅太阳能电池在道路照明、交通信号等室外照明中的应用较为普遍，光电转换率为11%24%，使用年限较长。多晶硅电池：多晶硅薄膜电池由于所使用的硅比单晶硅少很多，不存在效率衰退等问题，而且有可能在廉价衬底材料上制备。多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅电池，光电转换率近，高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池将有望成为太阳能电池的主导产品。多晶硅太阳能电池在室外照明中的应用将越来越广泛。本系统使用的就是多晶硅太阳能电池板，如图2： 图2 多晶硅太阳能电池板Fig.2 solar cells module of polycrystalline silicon非晶硅电池：非晶硅薄膜太阳能电池
17、制作简单，成本较低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得以迅速的发展，光电转换率在14.5%以上，但稳定性较差。提高转换率和稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。目前，非晶硅电池在低功率电力系统中应用较多。3.1.3 太阳能电池光伏发电原理图3 太阳能电池光伏发电原理Fig.3 principle of generate electricity in solar cell太阳能电池光伏发电是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”（简称光伏效应），太阳能电池板是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透
18、过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子空穴对。这样，光能就以产生电子空穴对的形式转变为电能。如果半导体内存在PN结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在PN结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，从而输出电功率4。3
19、.2蓄电池组件3.2.1蓄电池选择太阳能路灯各种各样，市场上和实验阶段的产品，大多数是利用铅酸电池等来做蓄电池，很少用锂电池来做蓄电池的，当然这里的主要因素是铅酸电池的技术比较成熟，并且对充放电流要求没锂电池那么严格等。但是，由于技术的发展和市场的需要，锂电池越来越广泛地应用起来了，并且技术、设计等各方面都趋于成熟，而锂电池比铅酸电池等常用的蓄电池相比，具有容量大，寿命长，体积小，充电时间短等优势，并且在照明供电上不需要启动大电流等不稳定因素，因此本模型尝试用锂电池来做蓄电池供电，有一定的价值和优势的。现在市场上的太阳能路灯使用的一般是铅酸电池，而近年来，锂电池的发展越来越快，应用越来越广，与
20、铅酸电池相比，同大小的重量小36倍，同容量的体积小23倍，同容量的充电时间短24倍；并且具有的自放电率小，电压高，工作温度范围宽，能量高等特点都比较优于铅酸电池，另外基本没有污染，而铅酸电池则有铅等重金属的致命污染，以下表1是两者具体的性能指标比较：表1 铅酸电池和锂电池的性价比5Tab.1 Lead-acid batteries and lithium batteries cost-effective性能铅酸电池锂电池能量/Whkg3235130能量密度/WhL90170功率/Wkg130300循环寿命/次50010001600平均电压/V23. 6/3.7电压范围/V1. 72. 43.
21、24. 2自放电率/%月469有无记忆较小无有无污染有无锂电池相对铅酸电池来说，具有诸多优点，当然它有两点常见的不足也可以分析下。一是充放电技术高，安全性能没那么稳定；二是价格高。但由于太阳能路灯不像电动车那样需要大电流启动，因此在技术上的要求，在现有的设计上是有能力解决的，因此成本方面也不会太悬殊。由此看来，利用锂电池做太阳能路灯的供电能源，只要悬接好与太阳能电池板和LED灯具之间的充放电控制，那么在技术上看用锂电池蓄电的太阳能路灯是可行的，前景也是可见的。3.2.2 锂电池基本知识对于锂电池我们一般比较关注它的充放电过程，但是对于锂电池内部的特性和一些基础知识是有必要了解的。下面简单介绍下
22、锂电池的几个指标知识：倍率C：用来表示电池充放电时电流大小的比率。如1200mAh的电池，0.2C表示240mA（1200mAh的0.2倍率）。充放电效率也与C（倍率）相关。 0.2C电流放电基本能够达到95%100%放电率。充电电流在0.1C0.2C之间时，我们称为慢速充电；充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。额定容量：指电池在充满电后，空载状态下放电至截止电压时，所能释放出的电能量，一般以mAh（1Ah = 1000mAh）符号来表示。容量计算：容量由于充放电是在一定的C-倍率条件下进行的，因此电池的容量与C-倍率直接相关。电池的额定容量是指0.2C条件下测试得到的电容量。C-
23、倍率越大，电池的放电率越小。充（放）电容量(mAh)=充（放）电电流充（放）电时间开路电压：指电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。开路电压与电池的剩余能量有一定的联系。一节锂电池的标称电压是3.6V，充满后电压是4.2V，其标准速率放电（一般0.2C）锂电池的放电平台一般是在3.7V。由于锂电池的充电特性。充电过程一般分为三个过程：低压涓流充电阶段：锂电池一般在过度放电之后，电压会下降到3.0V以下。在这个阶段，只能通过涓涓细流缓慢的对锂电池充电，是锂电池内部的电介质慢慢的恢复到正常状态。恒流充电阶段：在经过了涓流充电阶段后，可以用较大的充电电流，以此缩短充电时间。恒压涓流充电阶段：在
24、锂电池的电容量达到了85时候（约值），必须再次进入慢充阶段。使电压慢慢上升。最终达到锂电池的最高电压4.2V。3.3 充放电及照明控制器3.3.1 太阳能LED路灯控制器设计方案如图控制器的结构图，利用单片机(STC89C52)，模数转换器(ADC0809)，光控电路和LCD显示等主要模块组成，对太阳能蓄电池LED灯具的工作过程进行实时，自动地控制和管理。太阳能LED路灯当中的控制部分有：充电电路控制，放电电路控制，照明控制三部分。而太阳能LED路灯的控制器则包含了这三部分，此控制器的功能主要是太阳能电池对蓄电池的储电控制，蓄电池供电给LED灯具的控制，还有就是照明在时间、功率等方面的控制6。
25、图4 控制器结构图Fig.4 controller structure3.3.2控制器基本原理单片机通过对电池的电压和充电电流两个参数的检测进行判断，控制两个场效应管的开通和关断，达到各种控制和保护功能。充电放电控制采用的都是PWM脉冲调制控制保护技术，能够进行恒压，恒流等充电阶段的控制，其中PWM脉冲调制就是控制脉冲的占空比，不同占空比的波形是由单片机的定时功能来实现的7。调整脉冲的占空比，可以控制流过灯的电流，也可以控制灯的开和关，高电平灯就关，低电平灯就开。另外，根据监测出的电池电压，单片机的定时功能可以控制照明灯亮灯的时间。（1）电池电压和电流的检测原理电压的检测：利用一个电位器把电池
26、的电压降低，输进模数转换器(ADC0809)的第一个通道中，然后通过单片机(STC89C52)把电压反推出来再进行显示。充电电流的检测：本系统用一个小电阻R（0.05欧姆）来检测电流，通过把小电阻的两端的电压放大几十倍，把电压输进数模转换器的通道，进行转换成恒定的电流8。（2）锂电池充放电控制原理 充放电控制采用PWM脉冲调制控制保护技术,不仅能有效地保护蓄电池,防止过充电现象的发生,还能快速、平稳地为蓄电池充电。PWM控制是控制输出波形的占空比，周期并不改变，通过开关管的导通与闭合来控制充放电9。锂电池的充电曲线图如图5。蓄电池的电压低于13V时，单片机输出一个相应占空比的脉冲，控制三极管通
27、和断的时间，从而控制场效应管IRFZ44的通和断，使到充电的电流为0.24A左右，此时处于预充状态。蓄电池的电压高于13V时。单片机输出一个高电压（相当于PWM占空比为0），三极管导通，场效应管IRFZ44处于截断状态，此时太阳能电池板以最大的电流为蓄电池充电-恒流充电10。当蓄电池实际电压接近或等于16.8V时，通过控制占空比，也使场效应管IRFZ44实现通断控制，使充电状态处于恒压浮充状态。当电流小于一个值（0.24A）时，单片机就输出一个低电平，使场效应管IRFZ44完全导通，停止给蓄电池充电。图5 锂电池的充电曲线Fig.5 charge curve of lithium batter
28、ies（3）LED照明控制图6 光控开关电路Fig.6 light control switching circuit照明灯的亮和灭的控制原理如图，当单片机控制照明灯的控制脚输出高电平（5V）的时候，三极管Q2就会导通，三极管Q2集电极E的电压变低（约为0V），此时加到场效应管（Q4）栅极的电压就会变低11，场效应管就截止，流过照明灯的电流减少到0。相反，当单片机控制照明灯的控制脚输出低电平（0V）的时候，三极管Q2就会截止，三极管Q2集电极E的电压高，此时加到场效应管（Q4）栅极的电压也就高，场效应管就导通，流过照明灯的电流大，照明灯打开。根据监测出的电池的电压。利用单片机的定时功能可以控制
29、照明灯亮灯的时间。我把开灯时间分成5个模式：电池电压大于16.24V时为模式1；电池电压大于15.92V时为模式2；电池电压大于15.68V时为模式3；电池电压大于15.48V时为模式4；电池电压小于15.48V时为模式5。具体开灯时间如下：模式1开灯10个小时；模式2开灯8个小时；模式3开灯7个小时；模式4开灯6个小时；模式5开灯4个小时。这样根据实际情况来决定开灯时间，可以防止电池过放从而更好地保护蓄电池。提高了系统的可靠性。另外，照明控制还有光控电路来辅助控制，其功能是根据光的亮暗程度来控制照明。采用了两个光敏电阻，此目的是达到辅助作用，使控制更准确稳定。如图所示，加在三极管Q5,Q6基
30、极的电压是由光敏电阻L11和L21分压而得来的。没有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变得很大，接近1M欧姆。此时，光敏电阻上的压降会很大，加到三极管上的电压也大，三极管就导通，输进单片机的是低电平。相反，有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变小，约为15K欧姆。此时，光敏电阻上的压降会变小，三极管就截止，输进单片机的是高电平12。3.3.3控制器功能特色（1）主要功能介绍能够实时地监测电压，电流，这些信息显示在LCD上；通过改变脉冲的占空比，充电过程能够符合锂电池的充电特性；利用光敏电阻能够准确地判断白天还是夜晚；能够根据电池的电压来决定晚上开灯的时间；具有过放保护。（2）功能优势利用程
31、序和电路来控制充放电；控制核心是单片机模块形式，抗干扰能力强，可靠性较高；用液晶屏显示电池的电压和充电时的电流；可根据电池电压来控制照明时间，可自动设定开灯的时间；功能比较齐全，制作成本低。4LED技术与应用4.1 LED的发展前景及优势第一批商业化的LED（注入式电致发光二极管）出现于1968 年，经过40多年的发展历程，在技术和生产应用上已经取得突飞猛进的效果。目前，发光二极管的发光效率已经有70lm/w，一些甚至达到100 lm/w，其光强已达到烛光级，辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩。就发光二极管的技术潜力和发展趋势来看，其发光效率将达到200lm/w以上，将超过当前光效最高的高
32、强度气体放电灯，成为世界上最亮的光源。进入能源高消耗时代，全世界开始对LED投以新奇和注意的眼光，把关注的焦点集中到LED这项“照亮未来的技术”以及由此带来的照明领域的第三次革命上。随着LED质量的提高和制造成本的下降，使LED成为了信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品。LED以其独特的发光机理和独特的优势，使其在照明市场的发展应用成为环保节能的新兴产品。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，LED具有众多优点：体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热辐射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、节能（能耗为白炽灯的1/81/10、节能荧光灯的1/31/
33、2）、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染)、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯泡高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染的问题等缺点，是被业界看好在未来10年内，成为替代传统照明器具的一大潜力商品13。太阳能路灯与普通路灯不同, 它采用太阳电池作为唯一的供电源, 因为目前太阳电池组件的成本还比较高, 所以为了降低系统成本, 必须使用高效的光源。LED 是一种能够将电能转化为可见光的半导体发光器件, 近年来LED 技术已经有了关键的突破, 其性能价格比也有较大的提高, 如表2所示, 与传统的路灯光源相比LED 光源具有光效率高, 接近白炽灯的两倍, 寿命长, 可达到10万小
34、时以上；传统的光源功耗比较大, 而且大多在高压下工作, 使用升压逆变环节又降低了能源利用率，而LED 采用低压直流供电，安全而且光源控制成本低，使调节明暗，频繁开关成为可能。LED与节能灯相比，前者寿命较长、光效较低；后者寿命较短、光效较高。在不同情况下，要经过经济技术比较，从中选择合适的光源。随着LED发光二极管光效的提高，太阳能照明的配套光源将越来越多地使用LED发光二极管。表2 常用照明光源技术性能14Tab.2 technology and capability of general lighting lamp-house光源种类普通白炽灯卤钨灯荧光灯高压汞灯高压钠灯金卤灯白光LED管
35、形、单端低压直管形紧凑形功率范围/W10-150060-500020-754-2005-5550-100035-100035-35000.1-50光效（lm/W）7.5-2514-3060-10044-8732-5564-14052-13050-120平均寿命/Kh1-21.5-28-155-1010-2012-243-10约10显色指数Ra95-9970-958030-6023-8560-90约94.2相关色温/千K2.4-2.92.8-3.32.5-6.55.51.9-2.83-6.53-10启动稳定时间瞬时1-4s10s 4-8s4-10s瞬时闪烁不明显明显，高频管不明显明显不明显电压变
36、化影响大较大较大大较大较大环境影响小大较小耐震性能较差较好好较好好好4.2 LED基本结构与发光原理4.2.1功率型LED结构如图：功率型LED的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。图7 LED封装结构图Fig.7 LED encapsulation structure如图所示：LED芯片的基本结构，不同颜色的LED都有不同材料的衬底，然后在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，用两种有细微差异的材料构成n区和p区，而n区和p区的交界处形成的pn结组成 发光层，n区和p区有两个电极作为输入接触电极，即n
37、型电极和p型电极。图8 LED芯片基本结构图15Fig.8 basic structure of LED chip4.2.2 LED 的发光原理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LED16。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
38、色的光线，光的强弱与电流有关。LED是由-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17-18。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，如图所示。图9 LED发光原理图16Fig.9 LED irradiance principle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
39、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结面数以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的禁带宽度有关，即15-19：式中的单位为电子伏特（）。若能产生可见光（波长在380紫光780红光），半导体材料的应在3.261.63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。4.2.3 LED产业概况目前，半导体照明产业形成以美国、
40、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局，美国Cree、Lumileds，日本日亚(Nichia)、丰田合成(Toyoda Gosei)，德国Osram等垄断高端产品市场。五大企业在产品与市场方面各具特色，日亚化学和丰田合成在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片，并在专利技术方面具有垄断优势；Cree、GelCore等都有自己成熟的技术体系，但其在产业链上只集中在外延和芯片的制备上；Lumileds则关注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。国内几家优秀LED企业，如厦门三安、大连路明、晶能光电、深圳方大、清华同
41、方等，拥有核心设备MOCVD机台，并可自行研制和生产LED芯片及其生产线等，随着半导体照明产业的蓬勃发展，国内将会形成具备国际竞争规模的力量群。全球LED产业发展情况及经济性分析：LED照明将使全球照明用电减少一半，2008年LED产值即将达到500亿美元，发展LED照明成为全球产业的焦点。近年来，日亚化工、丰田合成、SONY、佳友电工等企业已有LED照明产品问世；美国2000年制定的“下一代照明计划”被列入能源法案，计划从20002010年，用LED取代55%的白炽灯和荧光灯，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；在德国
42、，欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统；我国台湾地区也出台了新世纪照明光源开发计划，大力发展半导体发光二极管产业。到2008年，全球LED产值将达到500亿美元，LED照明将使全球照明用电减少一半，形成一个潜力巨大，竞争激烈的LED照明产业无比广阔的全球市场20。中国LED产业发展情况及前景：突出的节能效果环保效益，符合我国产业发展战略，成为最具发展前景的高科技技术，具有良好的社会效益和广阔的市场前景。2006年10月，国家“十一五” 863计划“半导体照明工程”重大项目正式启动。发展LED照明具有良好的社会效益和广阔的市场前景。预计到2010年，我国半导体照明及相关产业产值将达到15
43、00亿元。LED照明的应用将为我国节约用电2000亿度。中国主要朝两个方向着手：发展新能源与节能，目标至2010-2012年替代性能源将提供15-30的能源需求，而我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，如目前国内1/3的白炽灯被LED代替，每年就可以为国家节省一个三峡工程的年发电量。4.2.4 LED生产工序及竞争分析LED制作工艺流程分为三大部分：制作LED衬底、外延片、pn结电极。首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机物化学气相沉积（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）外延炉中完成的；准备好制作Ga
44、N基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好；接下来是对LED pn结的两个电极进行加工（此是关键工序），并对LED毛片进行减薄、划片；然后对毛片进行测试和分选，就可以得到所需的LED芯片了。LED产业链是上游磊晶及芯片制作约占LED产品制造成本7成，其发光颜色与亮度由磊晶材料决定；下游则封装晶粒，制成各式LED器件与应用产品15。未来的产业竞争将取决于两方面，一是技术，这包括提高发光效率、降低成本的技术，提高器件功率的技术，方向上有现有技术路线的延伸，也有可能出现新的技术路线；也包括获得高质量产品的工艺技术，如提高可靠性、一致性和寿命，以及外围如照明系统设计及驱动芯片设计技术；二是规模，一方面是由于规模大可以降低成本，市场议价能力强；另一方面，化合物外延片与集成电路制造用的硅片很大不同在于即使同一片外延上制作出来的芯片性能也可能有较大差别，这对一致性要求比较高的应用领域(典型的如液晶面板背光)而言，一片外延上只有一部分符合要求，但对规模大的企业而言，其有多层次的市场结构，可以将不符合某一市场要求的芯片产品调配至另一市场，公司总的产出效率得到充分提高。5LED灯具设计5.1 LED灯选择由于太阳能LED路灯是应用在道路上的照明，因此灯具所用的LED必须用高亮的大功率LED才能满足，经过市场调查，性能分析与测试，以及经济分析，决定