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1、LED应用与照明的研究和设计目 录前言-1第一章 论文设计-21. 设计目的2. 设计要求第二章 设计内容-21. LED照明的特点2. LED光学特性参数的计算方法3. 照明设计软件的介绍4. 照明设计软的应用5. LED照明灯的设计方法6. LED照明灯的具体实现方法7. LED照明灯的光学系统设计第三章 全文总结与研究展望-121.全文研究工作总结2.本文的创新之处3.研究展望4.本论文的不足之处参考资料-13致谢-14前言能源是人类社会存在和发展的物质基础.目前全球能源形势比较严峻，能源工业所面临的经济增长、环境保护和社会发展的压力愈来愈大。其中发展中国家由于工业化进程速度加快使得能源
2、消耗呈增加的态势，导致全球能耗平均指数持续增长，其后果将非常严重，不仅使地球不断变暖，造成生态环境恶化，引起自然灾害，同时还将加速消耗常规化石能源的储量。为了人类社会的永久和谐，必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。所以开发新能源和保护环境成为能源问题中的首要问题。为了解决能源约束问题,国家出台,在法律层面明确提出:国家实行节约资源的基本国策,实施节约与开发并举.把节约放在首位的能源发展战略当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世
3、纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链，中国发展得比较快的LED企业很多：雷士照明、长方照明、华威凯德、迪博特公司。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大进展。
4、2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。 2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。LED
5、照明，又称固态照明，因LED(既发光二极管)是一种半导体固体发光器件，利用这种器件作为光源制作出来的照明器具我们称之位LED照明。LED照明工艺精良，科学含量高，功耗低，因不存在普通灯泡容易产生灯丝发光易烧、热沉积、光衰等情况，寿命长久，亦被称为长寿灯，寿命是传统白炽灯的十倍以上。它色彩丰富，节电并环保，是照明界最时尚的绿色照明产品。第一，实施LED绿色照明是节能大计，第二，实施LED绿色照明是节能环保大计，第三，实施LED绿色照明是改善照明质量的大计。因而普及和真正实现LED绿色照明对缓解当今社会能源危机，实现节能环保以及可持续发展具有重要意义。第一章 论文设计1. 设计要求LED照明的设计
6、对LED照明的普及和真正实现绿色照明 起到了至关重要的作用。本文应用了照明设计软件对LED照明设计中相关计算方法进行了编程实现对LED的照明灯的设计过程和具体实现进行计算机仿真设计。2. 设计目的1) 介绍LED照明的特点和LED光学特性参数测试方法2) 照明设计软件的系统总结3) 应用照明设计软件对LED的管壳进行仿真设计4) 应用照明设计软件对LED的光学系统进行仿真设计第二章 设计内容1.LED照明的特点 电子元件二极管中半导体发光二极管是常用的一种类型。发光二极管又称为光发射二极管(LightEmittingDiod,简写为LED)，是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。LE
7、D是半导体器件通过PN结实现电光转换，它有如下的特点： 寿命长，在很多应用中长于10年 更节能，利于环保 给设计提供更多的自由度 生动的饱和色彩，无需滤色片 光方向性强，增加了系统的效率 结实，防震 动态色彩控制，白光色温可调 深度调光而光色不变 瞬时启动，立即获得百分之百的光和色 光源中无汞 能冷启动例如： 1）寿命长，响应快一般来说，普通白炽灯的寿命约为1000h,荧光灯寿命约10000h,而LED的寿命可达2-10万h,可见寿命长的多。LED发光的相应快，它的相应时间为纳秒级，荧光灯为0.1ms,日光灯一般为毫秒级。2）体积小，结构牢固LED是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不像白炽灯有
8、玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不象荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固态结构，因此能经得起震动、冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，成本低。综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。3）安全、节能、不引起环境污染发光二极管的正向工作电压低，为(1.5-3.0)V,工作电流小，为(5-150)MA,由此工作安全性好。LED在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变为了光能，半导体灯采用发光二极管作为新光源，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其耗电量仅为后者的十分之一，因此能耗小。随着技术的进步，它将成为一种新型的照明光源。目前白光LED的光效已经达到401m/W,优于白炽
9、灯，次于荧光灯(60lm/w200lm/W)。此外，现在使用的白炽灯工作的过程中，发出过多的热量，影响环境温度;而广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞。这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害。而LED则没有这些问题，是一种无污染的光源。2.LED光学特性参数的计算方法 （1）发光强度（cd）光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。发光强度的单位为坎德拉，符号为cd，它表示光源在某单位球面度立体角（该物体表面对点光源形成的角）内发射出的光通量。1cd = 1lm/1sr（sr：立体角的球面度单位）。LED的发光
10、强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光强度小，所以发光强度常用烛光（坎德拉，mcd）作单位。由于LED的结构特点，为提高其发光效率，在其底部配装反射器，实际上它本身就是一个灯具。各个区域发出的光线有不同的聚焦点，它并不是一个点光源。因此，在评价LED发光强度时，光度学中的距离平方反比定律不适用。CIE127出版物中规定了两种目前国际公认的测量条件。应用上述两种测量条件的测量结果能进行国际间的对比。A和B测量条件并不严格按照发光强度的定义进行，因此被称为“平均发光强度”（AL
11、I）。关于测量探测器的修正：由于测量探测器的配匹误差将造成“平均发光强度”（ALI）的测量误差，配匹误差对红、蓝LED的测量结果影响更为严重，采用光谱修正方法可以提高测量精度。对LED发光强度测量仪器的要求：A.测量立体角要正确d0.001sr（A条件）d0.01sr（B条件）。B.测量机械轴正确；C.有效的防杂散光设计；D.精密的V（）光探测器；E.提供V（）光探测器光谱数据，便于修正测量值；F.配备高稳定性的供电电源。（2）总光通量（lm）由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位-光通量来衡量。光
12、通量用符号表示，单位为流明（lm）。LED光通量的测量，应用分布式光度计可对LED总光通量进行精确测量（探测器光谱响应曲线已修正的条件下）。这是LED总光通量的绝对测量方法，但测试仪器昂贵，工业中常用积分球进行测量。A.积分球的尺寸尽可能大，可减少挡屏吸收及异物误差；B.镀层表面反射比越大，球内表面的响应率差异越少。目前在LED测试中，镀层表面反射比甚至大于98。C.注意被测LED的安装位置，应将发射的光线对准积分球内表面响应均匀的区域；D.应用辅助光源减少挡屏吸收及异物误差。（3）光谱特性、色品坐标、主波长测量光谱特性、色品坐标、主波长的测量，根据国际照明委员会（CIE）三次LED国际专家会
13、议的技术交流和相关国际对比结果，现建议如下：A.国家计量部门应该采用双单色仪测量系统；B.单色仪测量系统可满足工业部门应用；C.1nm和5nm光谱测量带宽的色度测试结果比较接近，可采用5nm带宽测量；D.主波长的对比测量差别很小；E.CCD测量仪器相对误差较大。（4）发光强度的空间分布和总光通量（5）亮度（cd/m2）亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度。单位为坎德拉/平方米cd/m2，符号为L，表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量，它等于1平方米表面上发出1坎德拉的发光强度。（6）色温（Co1or Temperature）当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜
14、色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K表示。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温。 3.照明设计软件的介绍计算机辅助照明设计的关键在于选择合适的照明设计软件。为了满足当代照明设计在技术和艺术两方面的要求,照明设计软件除可以进行照明计算,还能够实现照明效果仿真及渲染。不同的软件分别侧重其中之一或两者兼顾。目前国外已经开发出许多专业照明设计软件,3dsMAX等三维设计软件用于照明设计效果也相当出色。但总体来讲,照明设计领域并没有平面设计的Auto CAD,图像处理的Photoshop一样有一个业界占主导地位的软件,多种软件并存各有
15、其优势及不足。本文仅就较为广泛使用的照明设计软件做简要介绍和比较以供我国照明设计者参考。 DIALuxD IALux由德国的D IAL公司开发,该公司基于多年的照明技术研究与对市场的观察,发现已有世界各国的照明计算软件多局限于单一厂商的运算,而照明设计方案一般会采用多家厂商的照明灯具。为解决此问题D IAL公司招集世界著名厂商如Philips、BEGA、THORN、ERCO、OSRAM、BJB、Meyer、Louis Poulsen等公司共同投资于新照明软件的开发,于1992年的汉诺威博览会推出D IALux照明软件,目前已成为欧洲照明软件的顶级品牌。当然没有软件是万能的，DIALux 同样也
16、是，DIALux 的模型导入需要实体模，即Extrude 命令产生的模型，如果是面模就无能为力了，相比之下AGI32 就没有这些顾虑。AGI32 具有独特的日光研究功能（这是其他任何软件没有的特别功能），可以研究照明在不同日光照射（晴天、阴天、半晴半阴天）条件下对照明的各种详细影响，而且会动态和实时在渲染时显示变化。（这就是我们有时在做设计时，在晴天时，其灯具照度和亮度都很合适，可一到阴天，却看到灯光光线明显不对了，亮度不足，这是因为设计师没有考虑到太阳光的影响，而AGI32 的日光研究让你计算和模拟在不同天气条件下的照度和亮度的影响，从而设计出最理想的照明方案）,而且AGI 适合体育、户外照
17、明使用。另外GE 的EUROPIC 也更适合快速计算GE 灯具。DIALux 对室外的场景照明模拟也显得较吃力。不过据DIALux 的工程师说，他们会逐步改进DIALux 的计算能力，下一步就是增加日光系统以适应更多设计师对照明设计的要求。我们相信在科技发达的这个时代，今天的不足也许就是明天的进步的方向。4.照明设计软的应用DIAL Gmbh 是专业的照明软件设计开发公司，DIALux 软件是国际知名的照明设计软件。它提供了整体照明系统数据，减少设计师及工程师分析照明数据的问题。DIALux 可精确计算出所需的照度，并提供完整的书面报表及3D 模拟图。善用软件的分析数据与模拟功能，可大幅提升照
18、明设计者的工作效率与准确度。应用广泛,DIALux 软件在整个欧洲照明产业所占的比例颇高。使用DIALux 的主要为建筑师、灯光设计师、室内设计师、照明经销商、景观工程师等；只要任何工作内容与照明、灯具有关者多会选择使用DIALux 软件，该软件已经成为全球最为广泛使用的照明计算软件。DIALux 软件对最终用户是免费供应的，用户可以在网站上自由下载软件的完整版本。软件的开发、升级费用全部来自灯具厂家的支持。在DIALux 中，各灯具厂家的产品资料、光度数据分别集成在一个叫做“外挂程序”（Plugin）的数据库里面，Philips、BEGA、 THORN、 ERCO、 OSRAM 等国际大公司
19、早已加入了外挂程序，现在，中国的雷士照明企业也加入了这个行列。DIAL Gmbh 为各厂家编写各自的外挂数据库，并向厂家收取一定的软件使用费。灯具厂家支付了软件使用费之后，就可以无限量地制作DIALux 软件和外挂程序的拷贝，免费发放给自己的用户使用。这种营销理念是十分先进的，对设计师们有极大的利益保护，不像一些专业软件动辄上万元的版权费，另广大使用者望而却步。对已会使用CAD 的人而言，使用 DIALux 是很容易的；DIALux 具有较人性化的工作界面，可以用DXF 格式将设计的结构载入 DIALux 后，进行照明计算。或直接使用 DIALux 进行设计：DIALux 有许多功能向导来设计
20、室内、外和街道的空间，并引导初学者一步步的将设计完成。许多的功能使得计算更容易；投射灯的排列、灯光效果、灯具的选择皆仅需按一下鼠标即可完成。在 DIALux 中引用一个灯具数据十分简单，如果所使用的灯具加入了Plugin 的话，只要在外挂程序里,面查找型号或图片，用鼠标把他拖进设计空间即可。不像一些其它软件，需要一个个光度数据文件去寻找、核对。如果使用的灯具品牌并没有加入外挂程序，那么引入光度数据的工作就和其它专业软件一样了：查找灯具的光度数据文件，并把他引入软件中。而灯具生产厂家提供的专用软件就不具有这种开放性，他们只能使用自己的灯具数据。在 DIALux 软件模拟中，由于使用了精确的光度数
21、据库和先进、专业的算法，DIALux 所产生的计算结果将会十分接近今后真正使用这个灯具所形成的效果。这样，设计师可以在电脑中对自己的设计进行事前的“预演”，以此来评估设计的准确度，增强设计师对设计方案的理性认识和对效果量化数据的直接认识。DIALux 不仅仅提供枯燥的数据结果，还能够提供照明模拟图片。当然，这样的效果图只能作为一种效果示意，肯定不如3D MAX 等专用效果图软件漂亮。但是，通过多次的实践，我们发现DIALux 的效果图十分接近今后实施效果，可以说他的效果图是“真实”的，而不是“画”出来的。如图：左图是在DIALux 中生成的模拟设计效果图，右图是实施之后的实景照片。两个图的效果
22、十分接近，而且，实施时的灯具就是设计时所布置的那些型号和功率，效果图中并没有增加其余的灯具来刻意“描绘”一个想象的场景，全部效果都是由灯具的光度数据计算得出。这样的光环境的模拟才能真正使设计师对设计作品的直接认识更为清晰，以及最终效果的把握。5.LED照明灯的设计方法 下面以一个例子来描述LED照明灯的设计方法：1) 该照明灯主要由9部分组成：整流、稳压二极管；话筒；光敏电阻，可控硅开关等。能够通过调节电阻和电容的大小来改变灯亮的时间长短，如果时间过长就应该减小电阻或电容的值，反之则增大。光敏电阻和话筒的高度也会使灯的时间受到影响。声光控节电开关,在白天或光线较亮时,节电开关呈关闭状态,灯不亮
23、；夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态，当有人经过该开关附近时，脚步声、说话声、拍手声等都能开启节电开关。灯亮后经过40秒左右的延时节电开关自动关闭，灯灭。2) 光控电路 3) 该电路由NE555与74LS123芯片组成。74LS123触发器具有延时功能，其时间T=0.45*R1*C1。 图 延时开关电路4) 声控电路5) 总电路 整流电路采用桥式整流电路，二极管稳压电路加上滤波电容。可控硅开关起开关作用，非常重要，由这个开关去控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮和熄。稳压电路需8.2V稳定电压，并要求不高所以我们采用它话筒放大 为实现声控功能，要设制话筒放大电路，主要是由话筒拾音电路（
24、就是把声音信号变为电信号电路，由于声音微小，所以加放大电路）和放大电路组成。光敏控制电路实现光控的功能，可以有光敏电阻来实现。音频放大电路 因话筒输出的音频信号小，不能满足检波的需要，设制二极管音频放大电路，倍数几千上万倍。检波电路 音频信号是交流信号，不用交流信号控制可控硅，需转换为直流信号，才能控制可控硅，因是小信号，要反映信号的蜂值电路线变化。延迟电路在灯点亮时需要有延迟，检波输出直流电压通过延迟电路是电压消失，保持一段时间，所保持时间的长短由延迟电路的参数决定，实际上延迟电路由RC电路组成，时间常数=RC，这是可控制电压。控制电路 是控制可控硅栅极的开关电路，它的输入由延时端的延时电路
25、送来的电压控制，输出控制可控硅的导通情况。声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作6.LED照明灯的具体实现方法1) 器件选择：ic选用cmos数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。内部结构见图3.1，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。可控硅t选用1 a400v的进口单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图3.2示6，它
26、的测量方法是：用r1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极(如印制板图所示)，这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数(注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用r100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625a型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管1n40011n4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定
27、范围内选用。在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K档，其次：用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，用红笔接负极，黑笔接正极；最后：看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。测试漏电电容方法：用万用表的电阻挡（R*100和R*1K），将表笔接触电容器两引线。刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=无穷方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部短路。若指针不动，始终指在R=无穷处，则意味着电容器内部短路
28、或已失效。对于电容量在0.1F以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷，难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好坏。2) 安装制作准备好全套元件后，用万用表粗略地(因出厂前已测量过)测量一下各元件的质量，做到心中有数，然后进行安装焊接3）调试及故障分析（1）打开电源，给系统加上激励信号源（如系统的啪手声、打击声），用眼睛直接观察灯泡是否亮亮了，则应该用（2）中的方法来判断故障部位，并加以改正。用手遮住光和按时熄灭。强光下，用手在麦克风附近拍打，看发光二极管是否发光。若灯敏电阻，还是用手在麦克风附近拍打，看等是否亮，若亮了，再观察它到底能够亮多久，若不能够准确定时40秒钟，要及时修改元件参数，让其准确定时
29、。 （2）故障寻、检常用方法如下： 直观检查法包括电阻法、电压法、电流法。 通过眼、耳、鼻、手来查找；闻有是否有短路、断路或元器件错焊等情况。用万用表测量电故障部位。即是看无焦味；摸器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。调试前，先将焊好的电路板对照印刷电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路
30、板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。 本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将ab分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时即告本套件制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。7.LED照明灯的光学系统设计1) 一次光学设计从LED封装材料的形状设计入手，设法提高LED得出光效率。主要分为折射式，反射式和折反射式三种方式2) 二次光学设计除了一次光学设计以外的光学设计第三章 全文总结与研究展望1 全文研究工作总结本文通过对LED照明的总结工作，L
31、ED的节能一直是一个当今最重要的发展方向，在全面建设惠及13亿人口的小康社会进程中，能源是事关中国经济社会发展的一个重要问题。以能源的可持续发展支持经济社会的的可持续发展，实现能源的的可持续发展。2 本文的创新之处本文的创新之处在于第三章，第三章对LED照明设计采取了文图结合，简明清晰，便于理解。3 研究展望在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代 4 本论文的不足之处由于自己的能力和时间的有限，本文有什么不妥之处还望各位多指教。参考资料:1. 第四代照明光源白光LED 崔元日 潘苏予2. 国外LED照明的研究和应用 张伟3. 绿色技术及应用 顾国维4. 白色LED的开发和应用 王尔镇5. 绿色照明LED实用技术 陈大华