皖 西 學 院本科畢業論文（設計）論 文 題 目 12w 大功率 LED 筒燈設計 姓名（學號） （2009011687） 系 別 機械與電子工程學院 專 業 電氣工程及其自動化 導 師 姓 名 董海燕 翁志遠 二 一 三 年 六 月I12w 大功率 LED 筒燈設計作 者 王指導教師 董海燕翁志遠摘要：近年以來隨著半導體材料生長技術與器件封裝工藝的進步，大功率 LED 燈的發光效率及可靠性得到了很大的提高。但是由于 LED 的外觀，驅動電路的設計，發光特性和透鏡的選擇等與傳統燈源不同，使得現有的供電和照明系統無法完全適用于 LED。所以如何對 LED 燈進行外形，驅動電路，透鏡選擇等光學系統，散熱，結構的設計，對發揮大功率 LED 燈的潛能，促進整個半導體照明產業的發展以及促進人民生活質量的提高具有不可或缺的作用。本文首先介紹了LED燈的概念，原理，實質及照明燈具產業的發展現狀及意義，闡述了照明理論與燈具設計基礎；針對12w大功率LED筒燈驅動電路的以及其他的設計，本文采用比較，思考，分析，計算的方法，不斷進行修改，不斷進行改進，最終在滿足12w大功率以及確定外觀，散熱，透鏡等的設計的條件下盡可能達到經濟簡單，為大功率LED筒燈產業的更進一步發展，做出自己的貢獻。關鍵字：大功率 LED 筒燈 設計Design of 12w high power LED lampAbstract:In recent years with the development of semiconductor material growth technology and device packaging technology advances, the luminous efficiency and reliability of high-power LED lamp has been greatly improved. But because of the appearance LED, driving circuit design, different luminescence characteristics and the selection of lens and traditional light source, the existing power supply and lighting system can not be fully applicable to the LED. So how to LED lamp shape, drive circuit, the selection of lens optical system, cooling, structure design, the use of high-power LED lamp potential, promote the development of semiconductor lighting industry and has an important role to promote the improvement of quality of life.LED downlight is embedded into the ceiling light beam lighting. This paper first introduces the concept of LED lamps, the principles, development status and significance of essence and lighting industry, expounds the theory basis of lighting and lighting design; and then discusses the design idea of 12W high power LED tube light, according to the 12W high power LED lamp drive circuit and other design, this paper adopts comparative, thinking, analysis, continuous improvement, and ultimately to meet 12W high power as well as to determine the appearance, heat dissipation, reducing the manpower and material consumption, to make its own contribution.IIKeywords: high power; LED; lamp; design目錄引 言 .11 LED 的介紹 .21.1 LED 燈的簡單概述 .21.2 LED 燈的發展史 .41.3 與傳統燈的差異 .41.4 LED 燈具的結構特征 .62 LED 筒燈的設計 .72.1 整體外觀的設計 .72.2 驅動電路的設計 .82.2.1 傳統 LED 驅動電路 .82.2.2 LED 的改進驅動電路 .102.2.3 電容降壓的 LED 驅動電路的簡單介紹 .112.2.4 設計的驅動電路 .133 LED 鋁基板和散熱器的設計 .143.1 鋁基板的介紹 .143.2 LED 鋁基板的分析 .153.3 熱分析 .163.4 設計的鋁基板 .173.5 散熱器的設計 .193.5.1 散熱器的介紹 .193.5.2 散熱器穩態溫度場分析 .194 LED 透鏡 .244.1 LED 透鏡的材料種類 .244.2 透鏡的應用分類 .244.3 LED 透鏡規格分類 .254.4 LED 透鏡的設計與模具加工 .264.5 設計的透鏡 .27結論 .28致謝 .29參考文獻： .30皖西學院本科畢業論文（設計）第 1 頁引 言LED 日光燈作為一種光亮柔和而有效的光源在全世界很受歡迎，無論是在家居、商店、辦公室、學校、超市、醫院、劇場，影樓，戲院還是在商業冰柜、廣告燈箱、地鐵、車站、人行隧道、人防工程、夜市燈飾照明、公園等，只要需要照明的地方都可以見到 LED 日光燈。傳統的 LED 日光燈其電源的利用率并不理想：附加鎮流器功耗較大，開啟時需要輔助高壓；日光燈管內置的水銀在廢棄時無法處理，成為污染環境的公害。而且日光燈管的熒光粉在充入日光燈管過程中，含有很多量的汞(水銀)，所以日光燈管破裂后，跑出來的水銀蒸氣對人體的危害較大。權威資料表明：汞蒸氣達 0.04 至 3 毫克時會使人在 3 至 4 月內慢性中毒，達 1.2 至 8.5 毫克時會誘發急性汞中毒，如若其含量達到 20 毫克，會直接導致動物的死亡。第四代新型節能光源，LED 光源誕生之時即被用來做各類燈具的發光光源。0.07W 的白光LED 草帽燈、食人魚是最早被用在 LED 日光燈的發光燈條上的。每個 LED 日光燈管使用數量不等，約 290-360 顆。而且現在新一代的 LED 日光燈發光燈條使用從 0.06W 到 1W、顯色為純白、汗白、青白、暖白、冷白、的貼片 LED 平面光源。節能省電是 LED 日光燈的最大特點。以 T8 日光燈為例，標稱 36W 的熒光日光燈(CFL)，其附加鎮流器耗電 8W，工作時實際耗電 44W，照亮流明為 420lm，使用壽命 3 千小時。而同樣規格的 LED 日光燈，工作時實際耗電僅 16W，照亮流明為 550lm，使用壽命可達 3 萬小時。然而與傳統的照明系統不同，由于傳統的技術還不夠成熟，目前大功率的 LED 筒燈的制作數量不是很多，特別是大功率 LED 筒燈驅動電路的設計，總是很難達到既經濟又簡單，本文中主要闡述了大功率 LED 筒燈驅動電路、外形、結構、散熱等的設計，論述了自己的觀點，在滿足大功率的條件下，盡量滿足經濟簡單的要求。皖西學院本科畢業論文（設計）第 2 頁1 LED 的介紹1.1 LED 燈的簡單概述LED 是發光二極管（light emitting diode）英文的縮寫。是一種固態的半導體元器件，它可以直接把電轉化為光。LED 的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，而另一端連接到電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型半導體，在它里面空穴占主要的地位，另一端是 N 型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個 P-N 結。當電流通過導線作用到此晶片的時候，電子就會被推向 P 區，在 P 區里電子跟空穴復合，然后就以光子的形式發出一定的能量，這就是 LED 發光的原理。然而光的波長也就是光的顏色，是由形成 P-N 結的材料所決定的。電流從 LED 陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱還與電流有關。它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用。按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等；圓形燈按直徑分為 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及 20mm 等。國外通常把3mm 的發光二極管記作 T-1；把 5mm 的記作 T-1（3/4） ；把 4.4mm 的記作 T-1（1/4） 。由半值角大小可以估計圓形發光強度角分布情況。從發光強度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯用以組成自動檢測系統。（2）標準型。 （3）散射型。這是視角較大的指示燈，散射劑的量較大。按發光二極管的結構分有全環氧包封、金屬底座環氧封裝、陶瓷底座環氧封裝及玻璃封裝等結構。按發光強度和工作電流分有普通亮度的 LED（發光強度100mcd） ；把發光強度在 mcd 間的叫高亮度發光二極管。一般 LED 的工作電流在十幾 mA 至幾十 mA,而低電流 LED 的工作電流在2mA 以下（亮度與普通發光管相同） 。LED 因其顏色不同,所以其化學成份不同。如：紅色 ：鋁-銦-鎵-磷化物；綠色和藍色: 銦-鎵-氮化物。白色和其它色都是用 RGB 三基色按適當的10-100比例混合而得到的。LED 的制造過程有點類似于半導體,但加工的精度還不如半導體,目前成本仍然較高。它具有耗電省（電流只有20-30mA）；亮度高（發光強度可達上萬個 mcd）；體積小（直徑最小可達1mm）；重量輕（一顆發光管僅重零點幾克）；壽命長（10萬小時）；外觀優美等優點。單個 LED 的發光強度以 cd 為單位，同時配有視角參數，發光強度與 LED 的色彩沒有關系。單管的發光強度從幾個 mcd 到五千 mcd 不等。LED 生產廠商所給出的發光強度指 LED 在皖西學院本科畢業論文（設計）第 3 頁20mA 電流下點亮，最佳視角上及中心位置上發光強度最大的點，封裝 LED 時頂部透鏡的形狀和 LED 芯片距頂部透鏡的位置決定了 LED 視角和光強分布。一般來說相同的 LED 視角越大，最大發光強度越小，但在整個立體半球面上累計的光通量不變。當多個 LED 較緊密規則排放，其發光球面相互疊加，導致整個發光平面發光強度分布比較均勻。在計算顯示屏發光強度時，需根據 LED 視角和 LED 的排放密度，將廠商提供的最大點發光強度值乘以 30%-90%不等，作為單管平均發光強度。一般 LED 的發光壽命很長，生產廠家一般都標明為 100000 小時以上，實際還應注意 LED 的亮度衰減周期，如大部分用于汽車尾燈的 UR 紅管點亮十幾至幾十小時后，亮度就只有原來的一半了。亮度衰減周期與 LED生產的材料工藝有很大關系，一般在經濟條件許可的情況下應選用亮度衰減較緩慢的四元素LED。白色是紅綠藍三色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度為 69%,紅色的亮度為 21%,藍色的亮度為 10%時，混色后人眼感覺到的是純白色。但 LED 紅綠藍三色的色品坐標因工藝過程等原因無法達到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為配色。當為全彩色 LED 顯示屏進行配色前，為了達到最佳亮度和最低的成本，應盡量選擇三原色發光強度成大致為 3:6:1 比例的 LED 器件組成像素,白平衡要求三種原色在相同的調灰值下合成的仍舊為純正的白色。皖西學院本科畢業論文（設計）第 4 頁1.2 LED 燈的發展史隨著 LED 照明燈具的逐步發展，在亮化工程輔助等公共場合，LED 漸漸替代了一些傳統光源產品。2009 年，LED 開始在發達國家進入主照明普及。在電費較高，使用時間較長的商業應用場所，LED 燈具迅速成為市場的新寵。作為 LED 照明燈具的用途，LED 市場發展分幾個階段。第一階段，LED 燈具實用新型階段。市場對 LED 燈具產品有了一定的認可和接受，LED燈具的環保，體積小，高可靠性等其他特征逐漸凸顯出來。由此而開發的一系列完全有別于傳統光源應用的產品會大行其道,照明行業會出現更大更廣的一個發展空間。光源不再是僅僅起到照明作用，它的多變使得更貼切人們工作生活中的點點滴滴,個廠商拼的是設計應用優勢。第二階段，LED 燈具智能控制階段。隨著物聯網等新技術的發展，LED 作為半導體產業，也將搭上這趟高速列車，發揮出其高可控性特點。從家庭到辦公樓，從道路到隧道，從汽車到步行，從輔助照明到主照明，具備智能控制的 LED 照明燈具系統將給人類帶來更高等級的服務。LED 燈具產業也將由做產品，到設計產品，到提供整體解決方案的歷程。 第三階段，LED 燈具替代接受階段。這一階段指的是 LED 燈具在發展初期，主要體現出其光效高（能耗小） ，壽命長的特點。因為售價高，所以在這一階段主要為商照市場。客戶有一個接受的過程，首先是使用習慣和外觀上的過渡與接受，在與傳統光源一致的使用情況下，LED 燈具體現出的節電，長壽等特點使得市場容易接受它的相對高價,尤其是在商用場合,各廠商拼的是質量價格優勢。1.3 與傳統燈的差異目前， LED 燈具與傳統光源燈具就性能、評價和設計等方面都存在著很多不同地方。1.在 LED 燈具性能評價方面。（1）色空間均勻度來評價。LED 燈具的存在的不同觀察角顏色差異。統光源單個發光體的特點不同，LED 燈具使用的 LED 燈是多個發光體組成并且發光的，LED 燈具中的發光體之間存在顏色差異性，需要使用色空間均勻度來評價 LED 燈具顏色的空間分布情況。（2）用使用壽命來評價 LED 燈具的耐用性。傳統光源使用壽命性能的測量和評價已經標準化，并且具有互換性，所以傳統光源燈具的壽命可以通過替換損壞的光源、以及按 10 年壽命設計燈的控制裝置來滿足所要求，所以一般不會評價傳統光源燈具的壽命。皖西學院本科畢業論文（設計）第 5 頁LED 燈具的壽命與 LED 本身壽命、 LED 驅動器以及燈具提供給 LED 的環境等很多因素都有關，并且目前 LED 燈形式較多，除了帶標準燈頭的 LED 除外，其他 LED 燈都不具有互換性，這樣對不同的 LED 燈具，其壽命只有通過相關的壽命評價才能最終確定。在評價 LED 燈具壽命時，不僅要聲稱光通維持壽命，而且還要聲稱失效率。傳統照明燈具是用燈具得效率來評價，然而 LED 燈具使用的是光效評價。不像傳統照明光源可單獨進行光度得測試，光度測量時也可以使用相對的方法，由于 LED 光源對溫度極其敏感，不適宜將 LED 光源從燈具內分離出來單獨測量，所以進行光度測量時應采用絕對法對燈具整體進行光度的測試。2.在 LED 燈具設計方面。（1）光學系統方面。燈具中的光學系統可謂是燈具的靈魂，根據選定光源特性設計符合具體照明要求的燈具光學系統。通常傳統光源燈具的光學系統由光源、燈座、反射器和透光罩等各部分組成。但由于一些 LED 單元具有 2 發光的光度特性，所以燈具的光度系統與傳統光源燈也有很大的差出。具體表現特征如下所示：LED 燈具光學系統一般是由 LED 芯片和透鏡組成的 LED 陣列或 LED 模塊，陣列有時排列在整齊的鋁基板上，也可能是在突起的或者是凹下的成型基板上，燈具制造商可根據照明的需求，將多個 LED 單元或數十個 LED 單元組合在鋁基板上，而且應注意控制組合后 LED 單元光色的是否一致性，然后考核 LED 燈具的色空間均勻度。由于 LED 的光電特性對 PN 結溫度的變化非常的敏感；封裝樹脂在高溫和強光照射下也會快速得劣化；長期的光輻射會使熒光粉的光致轉換率逐漸的下降，并會導致色坐標的偏移。（2）電氣元配件方面。LED 驅動電源既是構成 LED 燈具性能優劣的關鍵的因素，也是燈具選擇或設計要件的因素之一。LED 燈具電氣設計應考慮到燈具使用 LED 特性和數量、燈具等的安裝地點，和燈具在電網中的位置來考慮電氣安全、恒流驅動、抗擾度或設計合適的 LED 的驅動電源。由于 LED 是 2V3V 的低電壓恒流源的驅動，所以不像普通的白熾燈泡可以直接連接到 220V 的交流市電上，必須要設計恒流電源和控制電路來驅動 LED。此外， LED 模組的電氣連接也是 LED 燈具電氣系統的組成部分，應該充分考慮到其安全性，應采用標準的充分絕緣、防觸電保護等措施。（3）散熱措施方面。與傳統光源燈具一樣，LED 燈具當然也是會發熱的，LED 燈具的熱來自 LED 光電轉換中的能量損耗以及 LED 驅動電源等方面。與傳統電光源發光原理不同，LED 的發光是電致的發光，由于轉換效率等問題，輸出的大部分能量主要是以非輻射復合發生的點陣振動的形式轉化成熱能。而熱量在 LED 內的傳遞的方式不是輻射而是傳導。所以在 LED 燈具散熱設計中主要的目標是有效地將 LED 芯片的熱量傳導出去，并有效地控制 LED 燈具內 LED 的溫度。對于 LED 燈具，除了 LED 是發熱的元件外，LED 燈具中的驅動器當然也是發熱元件，為了保證具其有與 LED光源協調的壽命，LED 驅動器的熱控制也是非常重要的，如果采用內裝驅動電源，燈具應根據其內環境溫度選擇標有相應溫度的驅動器。而當驅動器獨立安裝時，則應該根據安裝地可皖西學院本科畢業論文（設計）第 6 頁能的環境溫度來選擇相對應的驅動器。（4）機械部件和結構方面。機械的作用是通過結構設計把燈具的光學系統和熱系統的位置和相互關系最終確定來，使燈具能夠在設定的環境中固定并安全的使用。傳統燈具的機械系統由固定光源、反射器、燈的控制裝置等各部分部件的結構、軟線的走線結構、密封結構、機械防護結構、燈具固定結構和燈具調節結構等部分構成，具體的說是由燈座或光源連接器、燈座安裝支架、軟線固定架、接線端子座、外殼、燈罩和燈具安裝架等各部分組成。由于 LED 光源的特性，LED 燈有封裝、模組、LED 光引擎、整體式 LED 燈、非整體式 LED 燈等幾種形式，除了最后兩種形式可能具有與傳統光源燈具類似內部結構以外，其他的 LED 燈不帶有標準燈。1.4 LED 燈具的結構特征LED 燈具中沒有燈座，而是用連接件完成 LED 燈與燈具的各種連接，并采用其他的方式將 LED 燈固定到燈具的主體上。為了導出 LED 芯片產生的熱，LED 燈具有大量的散熱片，燈具的體積和重量比傳統光源燈具大得多，燈具的安裝結構也應作相應考慮，以保證安裝的安全性和可靠性。同時散熱片應設計成容易清潔的結構，否則，散熱片的效率會很快的降低。另外 LED 燈具與傳統燈最大的區別體現在它的功耗上：它的最大功耗才 10 瓦,長度 1.2 米,是普通光管 40 瓦的前身;其次的功耗是 7.5 瓦,長度 0.9 米,是普通光管 30 瓦的前身;最小的功耗是 5 瓦,長度 0.6 米,是普通光管 20 瓦的前身。外殼采用高級塑料精工制作而成、耐用、耐摔.內部采用世界最先進的高科技二極管芯片發光材料，使產品亮度達到一流要求，又采用與傳統日光燈相反的降壓技術與節能技術完美相結合,使功耗和溫度降到最低，節能達到極限，它的問世將是世界照明史上又一次重大的突破與變革，將訊速淘汰原來的白熾燈和傳統日光燈。點亮無延遲，響應時間更快，傳統玻殼燈泡則有 0.3 秒的延遲，防