1、深圳大學考試答題紙(以論文、報告等形式考核專用)二 一三 二 一四 學年度第 二 學期課程編號1602140001課程名稱LED應用與產業發展主講教師余建華評分學 號姓名專業年級2013光電信息科學與工程教師評語：題目：LED照明設計及應用目 錄 摘要3引言3第1章 LED照明原理及特點41.1 LED的基本概述4 1.2 LED照明技術的發展51.3 LED照明原理51.4 LED照明燈具特點6第2章 LED照明設計技術82.1 LED照明設計的一般步驟82.2 LED照明設計需要注意的事項9第3章 LED路燈的設計與應用123.1 LED路燈的基礎知識123.2 LED路燈的設計123.3

2、 LED路燈應用的實例13第4章 LED城市景觀照明的設計與應用144.1 LED城市景觀照明四大特征144.2 不同場合的景觀照明的設計與組裝164.3 LED城市景照明的應用19第5章 LED廣告燈光的設計與應用225.1 LED廣告燈光的種類225.2 LED控制系統225.3 LED廣告燈光設計的實例23第6章 結論24參考文獻25LED照明設計及應用摘要led照明原理及特點、led燈具的設計及應用引言近年來,隨著我國工業化與城鎮化的快速發展,能源和資源的供需日趨緊張,對我國電力供應產生了一定的負面影響。LED在照明應用中，因其具有節能、壽命長、環保、體積小、響應速度快、可靠性高、調控

3、方便等諸多優點，正作為一種新型照明光源并獲得越來越廣泛的應用。本文從LED照明技術的原理及應用著眼，具體探討新型節能光源LED的發展前景和市場需求.第1章 LED照明原理及特點1.1 LED的基本概述發光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（As）、磷（P）、氮（N）、銦（In）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。磷砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光，銦鎵氮二極管發藍光。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導

4、電性。當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。圖11.2 LED照明技術的發展隨著全球對發展低碳經濟取得共識，LED照明產業憑借其在節能降耗領域的性能優勢將迎來寶貴的快速發展機遇。在當前低碳經濟形勢下，LED照明產業市場不斷升溫，競爭日益激烈。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，可以

5、廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市景觀照明等領域。世界上一些經濟發達國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術競賽。美國從2000年起投資5億美元實施“國家半導體照明計劃”，歐盟也在2000年7月宣布啟動類似的“彩虹計劃”。我國科技部在“863”計劃的支持下，2003年6月份首次提出發展半導體照明計劃。 多年來，LED照明以其節能、環保的優勢，已受到國家和各級政府的重視，各地紛紛出臺相關政策和舉措加快LED燈具的發展；大眾消費者也對這種環保新型的照明產品渴求已久。1.3 LED照明原理LED光源的LED是由-族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）

6、等半導體制成的，其核心是PN結。在一定條件下，它還具有發光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發光。 假設發光是在P區中發生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光，或者先被發光中心捕獲后，再與空穴復合發光。除了這種發光復合外，還有些電子被非發光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的，所以光僅在靠近PN結面數m以內產生。圖2理論和實踐證明，光的峰值波長與發光區

7、域的半導體材料帶隙Eg有關，即 1240/Eg（mm）式中Eg的單位為電子伏特（eV）。若能產生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導體材料的Eg應在3.261.63eV之間。比紅光波長長的光為紅外光。已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管，但其中藍光二極管成本、價格很高，使用不普遍。1.4 LED照明燈具特點節能化研究資料表明，由于LED是冷光源，半導體照明自身對環境沒有任何污染，與白熾燈、熒光燈相比，節電效率可以達到90%以上。在同樣亮度下，耗電量僅為普通白熾燈的1/10，熒光燈管的1/2。如果用LED取代我們傳統照明的50%，每年我國節省的電量就相當于一個三峽電站發電量的總和，

8、其節能效益十分可觀。健康化圖3LED是一種綠色光源。LED燈直流驅動，沒有頻閃；沒有紅外和紫外的成分，輻射污染，顯色性高并且具有很強的發光方向性；調光性能好，色溫變化時不會產生視覺誤差；冷光源發熱量低，可以安全觸摸；這些都是白熾燈和日光燈達不到的。它既能提供令人舒適的光照空間，又能很好地滿足人的生理健康需求，是保護視力并且環保的健康光源。藝術化LED在光色展示燈具藝術化上顯示了無與倫比的優勢；彩色LED產品已覆蓋了整個可見光譜范圍，且單色性好，色彩純度高，紅、綠、黃LED的組合使色彩及灰度(1670萬色)的選擇具有較大的靈活性。LED技術使居室燈具將科學性和藝術性更好地有機結合，打破了傳統燈具

9、的邊邊框框，超越了固有的所謂燈具形態的觀念，燈具設計在視知覺與形態的藝術創意表現上，以一個全新的角度去認識、理解和表達光的主題。我們可以更靈活地利用光學技術中明與暗的搭配、光與色的結合，材質、結構設計的優勢，提高設計自由度來弱化燈具的照明功能，讓燈具成為一種視覺藝術，創造舒適優美的燈光藝術效果。可隨意擱置在地上、墻角或桌上，構思簡約而輕松，形態傳達的視覺感受和光的體驗，讓燈具變成充滿情趣與生機的生命體。人性化毋庸置疑，光和人的關系是一個永恒的話題，“人們看到了燈，我看見了光”，正是這句經典的話語改變了無數設計師對燈的認識。燈具的最高境界是“無影燈”也是人性化照明的最高體現，房間里沒有任何常見燈

10、具的蹤跡，讓人們可以感受到光亮卻找不到光源，體現了把光和人類生活完美結合的人性化設計。第2章 LED照明設計技術2.1 LED照明設計的一般步驟LED照明系統設計可按照確定照明需求，確定設計目標，估計光學、熱和電氣系統的效率，計算需要的LED數量，選擇最佳設計方案和完成最后步驟6個步驟進行：1、 確定照明需求 2、 確定設計目標設計目標是基于現有燈具的性能，或是基于應用的照明需求。3、 估計光學系統、熱系統和電氣系統的效率設計目標會對光學、熱和電氣系統產生限制，根據這些限制對各系統的效率進行估計，將照明目標和系統效率結合起來，分析評估能驅動照明的數量。4、 計算需要的LED數量 5、 選擇最佳

11、設計方案和完成6、 樣品試制和性能評估 2.2 LED照明設計需要注意的事項LED照明燈具設計應注意的事項。 2.2.1 工作環境 LED室外照明燈具由于工作環境比較惡劣，受風吹雨淋日曬，陽光中紫外線照射，晝夜溫差變化，空氣中沙塵，化學氣體等條件影響，燈具年復一年的受大自然時效老化處理。設計時應充分考慮這些因素的影響。 2.2.2 LED燈具材料及散熱方式選擇 外殼和散熱器設計為一體，用來解決LED的發熱問題，這種方式較好，一般選用鋁或鋁合金，銅材或銅合金，以及導熱良好的其它合金。散熱有空氣對流散熱、強風冷卻散熱和熱管散熱。 燈罩的設計選材也是至關重要，目前使用的有透明有機玻璃，PC材料等，傳

12、統的燈罩是透明玻璃制品，究竟選什么樣材料的燈罩跟設計的產品檔次定位有關，一般來說，室外燈具的燈罩最好是傳統的玻璃制品，它是制造長壽命，高檔燈具的最佳選擇。采用透明塑料、有機玻璃等材料做的燈罩，做室內燈具的燈罩較好，用于室外則壽命有限，因為室外陽光、紫外線、沙塵、化學氣體、晝夜溫差變化等因素使燈罩老化壽命減短,其次是污染了不易清結干凈，使燈罩透明度降低影響光線輸出。 2.2.3 LED芯片的封裝 目前國內生產的LED燈具（主要是路燈）大都是采用1W的LED多個串、并聯進行組裝，這種方法熱阻較先進封裝技術的產品高，不容易造出高品質的燈具。或者是采用30W、50W甚至更大的模組進行組裝，以達到所需要

13、的功率，這些LED的封裝材料有用環氧樹脂封裝，有用硅膠封裝的。二者的區別是：環氧樹脂封裝耐溫較差，時間久了易老化。硅膠封裝則耐溫較好，使用時應注意選擇。 一般的看法是：采用多芯片與散熱器整體封裝比較好，或采用鋁基板多芯片封裝再通過相變材料或散熱硅脂與散熱器相聯接，做出的產品熱阻比用LED器件組裝的產品的熱阻要少一至二道熱阻，更利于散熱。采用LED模組的燈具，模組基板一般為銅基板，它與外散熱器的聯接要使用好的相變材料，或好的散熱硅脂，保 證銅基板上的熱量能及時傳到外散熱器上去，如處理不好則易使熱量堆積造成模組芯片溫度升得太高，影響led芯片正常工作。筆者認為：多芯片封裝適合制造普通照明燈具，模組

14、封裝適合空間有限的場合制造緊湊型led燈具(如汽車主照明的頭燈等)。 2.2.4 散熱器的設計 散熱器是led燈具很關鍵的一個部件，它的形狀、體積、散熱表面積都要設計得洽到好處，散熱器太小，led燈工作溫度太高，影響發光效率和壽命，散熱器太大，則消耗材料多增加產品成本和重量，使產品竟爭力下降。設計合適的led燈散熱器至關重要。散熱器的設計有以下幾個部分： 1.明確LED燈需要散熱的功率。 2.設計散熱器用的一些參數：金屬的比熱，金屬的導熱系數，芯片熱阻、散熱器熱阻、周圍環境空氣熱阻等。 3.確定采用散熱的類型，（自然對流散熱、強風冷卻、熱管散熱，以及其它的散熱散熱方式。）從造價比較：自然對流散

15、熱造價最低，強風冷卻中等，熱管散熱造價較高，噴氣致冷造價最高。 4.確定LED燈具許可的最高工作溫度（環境溫度加燈具許可溫升）， 5.計算散熱器的體積、散熱面積。并確定散熱器的形狀。 6.將散熱器與LED燈組合成完整燈具，并通電工作八小時以上，在室溫39-40的環境下檢查燈具的溫度，看是否滿足散熱要求，以檢驗計算是否正確，如不滿足使用條件，則要重新計算和調整參數。 7.散熱器與燈罩的密封要做到防水、防塵，燈罩與散熱器之間要墊抗老化的橡皮墊或硅橡膠墊，用不銹鋼螺栓緊固，做到密封防水、防塵。第3章 LED路燈的設計與應用3.1 LED路燈的基礎知識道路照明與人們生產生活密切相關，隨著我國城市化進程

16、的加快，LED路燈以定向發光、功率消耗低、驅動特性好、響應速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環保等優勢逐漸走入人們的視野、成為世界上最具有替代傳統光源優勢的新一代節能光源，因此，LED路燈將成為道路照明節能改造的最佳選擇。路燈與常規路燈不同的是，LED光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍光LED與黃色合成的高效白光，具有高效、安全、節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等獨特優點，可廣泛應用于道路。外罩可用制作，耐高溫達135度，耐低溫達-45度。3.2 LED路燈的設計在確定每一個LED的功率、光束輸出角度時，可根據E（lx）=I(cd)/D(m)2(光強和照度距離平方反比定律)，

17、分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應該具備的功率，并且可以通過調整各LED的功率以及LED驅動電路輸出給每一個LED不同的功率來使每一個LED的光輸出都達到預計值。這些調整手段都是采用LED光源的道路燈具所特有的，充分利用這些特點就能實現在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度,達到節能的目的。要想使LED驅動電路呈現恒流特性，采用有源電子開關電路或采用高頻電流來驅動LED，采用上述兩種方案可以使驅動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下，仍具有很高的轉換效率LED路燈效果圖LED路燈的設計圖圖4 還有，LED驅動電路各點對地的電氣間隙應保持在7mm以上，EMI防護的接地

18、電容以及驅動電路的對地絕緣強度，應達到強化絕緣（4V+2750V）的要求，這樣能使LED的驅動電路具有良好的抗差模和共模雷電感應的能力。3.3 LED路燈應用的實例1、廣東省從2009年起，開始大規模實施“千里十萬”LED路燈產業化示范推廣工程，建設總里程1500公里左右、規模約10萬盞的LED路燈示范推廣工程。2、山東省濰坊市于2006年開始實施LED照明示范工程，安裝LED路燈已超過3萬盞。今后，新建道路和公共場所一律安裝LED燈，到2011年累計安裝LED路燈10萬盞。3、將推廣使用8000盞LED路燈。其他城市LED道路照明項目都已經陸續啟動。4、美國計劃5年內設置14萬盞LED路燈，

19、猶他州已經啟動LED路燈的招標；宣示三年內更換128萬盞LED路燈。5、半導體照明產品應用示范工程日前，由國家、住房和城鄉建設部、交通運輸部聯合組織開展的半導體照明產品應用示范工程招標項目招標活動勝利落下帷幕。三部委為進一步推動綠色照明工程，促進我國LED照明節能產業健康有序發展，9月初聯合組織開展了半導體（LED）照明產品應用示范工程公開招標，擬選擇一批優秀的LED照明產品企業進入“半導體照明應用示范工程項目入圍企業”。第4章 LED城市景觀照明的設計與應用4.1 LED城市景觀照明四大特征特征一：全面進入LED照明時代LED照明產品用它出色的色彩表現力、變光變色極強的控制能力、體積小易隱藏

20、及其長壽、節能、穩定等特性，被大量應用于景觀照明市場，迅速帶動了照明市場快速的增長，并助力景觀照明成為LED照明應用領域市場份額最大的分支領域。而傳統景觀照明的一大劣勢是，無法非常好的表達建筑本身，無法呈現高品質、藝術感的景觀照明。 LED色彩豐富，理論上僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色，即LED通過與磷的有機結合幾乎能夠產生任何顏色;LED可低壓直流供電，調光方便，因此在景觀照明領域具有其它光源無法比擬的優勢。特征二：定制化燈具妝點城市景觀 “定制化”根據字面含義，可以理解為量體裁衣，是指根據需要來量身打造出客戶需求的產品或服務。“定制化”曾頻繁應用于服裝、鞋帽以、珠

21、寶等領域，隨著時代發展，“定制”一詞的意義也逐漸被豐富起來。定制化景觀照明產品能最大限度發揮設計師的創作力和想象力，是景觀照明設計師的專用畫筆。建筑師、設計師在選擇適宜光源的情況下，還要從整個光環境效果及材料的質感可靠性考慮，注重自然環境與照明統一性，定制化燈具擺脫了傳統的同質化設計概念，為設計師所喜愛，并越來越多的應用于景觀照明工程中。 特征三：智能控制引領科技照明 LED照明產品被廣泛應用于國內各大賽事及盛會場館、園區，原因之一就在于其智能控制系統超越傳統照明產品，達到管理與控制一體化，便于掌控照明項目實時狀況。管理與控制一體化是照明節能的一項關鍵技術，配合適當的控制策略，按照環境整體要求

22、對LED進行編程控制，通過LED光色的協調，即可產生整體的藝術景觀效果。 管控一體化技術在LED景觀照明應用中，主要分為兩大部分：對照明設備的監管和智能控制。現場設備的監控主要實現對照明回路、燈具的智能控制、防盜、在線故障診斷與報警等。LED景觀照明的智能控制是區別于其他管控一體化系統的關鍵部分，通過智能控制系統可以充分體現LED應用于景觀照明的優勢，將LED燈具色彩表現力、變光變色極強等特性淋漓盡致地發揮出來，讓LED燈具呈現出亦真亦幻、精彩多姿的綺麗景象，讓景觀照明設計師的設計思想得到最真實的呈現。 特征四：開啟景觀照明 點亮視覺藝術 人們用燈光來表達城市夜間的藝術形態，被民眾們鑒賞和品味

23、，藝術具有鮮明的個性，城市景觀也需要個性化照明藝術來渲染。在照明設計師看了，景觀照明從規劃到設計、從整體到細節都需要建立秩序，塑造美感，滿足視覺藝術。 城市景觀照明視覺藝術的提升，不僅提升了城市形象，另生活在這個城市里的人們能感受到更美的夜間環境，更具自豪感，同時，也為城市的發展帶來了經濟效益。城市旅游帶來的推動作用不可小覷。4.2 不同場合的景觀照明的設計與組裝優質的燈具是照明工程的質量保障和基礎，由于LED與傳統光源的發光原理不同，因此它的燈具設計從內部的結構到外部的造型也都需要從符合LED器件本身的角度出發進行特殊設計與制造。LED燈具透鏡的設計 LED燈具的變色原理在于RGB的LED顆

24、粒的混光效果。然而，如果人們能清楚地看到燈具中LED發光顆粒，其混光的效果就會大打折扣。因此，通常此類燈具的透鏡需要進行模糊處理。半透明的材料（如乳白色磨砂玻璃）可以較好地實現混光，但燈具的表面亮度會降低。因此多會采用表面刻花的做法。但是，稀疏的刻花不但不利于混光，有時反而更加突出了單顆LED的不同色彩。即便不考慮混光的問題，線狀或點狀的LED燈具中看到單顆的LED也是令人不悅和不適的。因此，在一些較近距離的視看空間，比如一、二層的建筑外立面、建筑入口廣場等區域中選用LED裝飾性嵌入式燈具，應著重考慮燈具表面的混光效果。在不確定是否能滿足需要的情況下，現場試驗是最好的辦法。 另一種避免直接看到

25、LED發光點的辦法就是將LED安裝在燈具的側向，LED顆粒側向出光，避免眩光。這樣的做法在一些近人尺度的空間尤為適合。 透鏡的設計還將影響LED燈具的表面亮度，我們曾對實際工程中使用的LED裝飾性燈具的表面亮度進行測量，發現此類燈具的表面亮度至少在󰀒00 cd/m2以上，甚至有的燈具達到600 cd/m2。作為裝飾性燈具，它們與周圍環境產生極大的亮度對比，很容易產生眩光。因此從這個角度考慮也需要認真處理表面透鏡的問題。LED燈具的配光設計 燈具市場上現有不少直接將LED顆粒安裝在燈 盤上作為投光燈使用的案例，或是將多顆LED做成白熾燈泡或PAR燈的形式用來直接替換傳統光源。可是

26、LED的發光原理和傳統的光源完全不同：傳統光源或是點光源或是線光源，它們在作投光使用時其燈具是需要有反射器、透鏡等光學元件來進行配光的；而LED是利用固體半導體芯片作為發光材料，在半導體中通過載流子發生復合，放出過剩的能量而引起光子發射，再通過在發光芯片前放置的小透鏡將光線調整為平行光。因此，傳統光源所用燈具中的反射器對于LED光源就失去了意義。但如果認為LED發出的是平行光而不使用透鏡，不作任何二次光學設計，直接使用成組的LED發光顆粒作為投光燈的光源，就很容易在被照物體上形成一個個較為明顯，缺少亮度變化生硬的亮斑，投光效果差強人意，更不要說混光變色的投光效果了。 LED燈具的模數化 城市景

27、觀照明中使用的燈具需要考慮其白天的視覺效果，而LED燈具由于更多地被大量用于裝飾性嵌入式燈具，與建筑景觀相協調的問題就更為突出。在我們調研中發現不少LED產品作為裝飾性嵌入式燈具在環境中顯得較為突兀。這種情況的出現主要是燈具尺寸的問題。通常建筑材料的尺寸是模數化的，燈具生產廠商如果缺少這方面的了解，僅從便于加工的角度出發設計產品，其產品就難以與建筑飾面材料相匹配。在實際工程中，也就因此出現切割拼貼的建筑飾面材料，影響整體效果。因此，LED裝飾性燈具需要在尺寸設置上考慮建筑模數化，與建筑飾面材料的尺寸相配合。當然并不是LED燈具才需要考慮模數化問題，主要是LED燈具在尺寸設計上相較其他光源有著更

28、大的靈活度來匹配建筑模數。例如用作地面鋪裝的埋地LED燈具尺寸如果能采用地面鋪裝材料的模數，設計為󰀒50 mm×󰀒50 mm；200 mm×200 mm；200 mm×󰀒00 mm；300 mm×300 mm等，就能很好地與其他建筑鋪裝材料配合使用，便于設計師選用，也給予設計師更大的靈活度和設計空間。一些國內外的燈具廠商已經在做這項工作了，他們從地面鋪裝的尺寸出發來設計自己的燈具系列，甚至選擇某種常用飾面材料作為原型，制作同樣大小、同樣形式的LED埋地燈具，獲得了較好的效果。4.3 LED城市景照明的應用&

29、#160;   城市景觀照明追求的不是亮度，而是藝術的創意設計，LED產品應該能夠找到它的用武之地。發光角度小的LED方向性強，可作局部重點照明；在封裝材料中添入散射劑可以實現175度的發光角適合較大范圍內的照明。 4.3.1 裝飾草坪燈、景觀燈、球泡在城市街道或綠地中，將發光的部位設計成環狀、帶狀等各種結構，局部照亮草坪; 同時成為白天環境中的裝飾元素。常用產品額定工作電壓AC220V，控制方式多為內控（在需要同步變化的場所可利用同步線實現強制同步）。實際工程中常與氣體放電燈光源配合作為裝飾性照明使用，利用草坪燈、景觀燈、球泡等各種不同造型、不同功能的LED光源可以組合成

30、色彩絢麗的燈光幻影。這種“多色彩，多亮點，多圖案”的變化，體現了LED光源的特點。圖5 裝飾草坪燈4.3.2 水下燈LED水下燈放在水下，用于水體的照明，防護水平應達到IP68。額定工作電壓DC12V。LED的低電壓工作特性使其比以往的任何燈具都要安全，壽命長的優點也使維修起來更加方便，產生的照明效果也比常用的PAR燈、氣體放電燈更為豐富。圖6 水下燈4.3.3 地面燈具：地埋燈、發光地磚、石燈等地面燈具使用LED光源可以將尺寸小型化。一方面可以用作環境照明，另一方面可以作為發光裝飾照明或引導性功能照明。依據具體的地面鋪裝結構燈具的出光口面積可大可小。嵌入式石燈、地磚燈以切邊加工的方式與鋪裝的

31、石材取得一致，達到環境與光源和諧統一的效果。目前部分產品已實現模數化設計，例如作為地面鋪裝層照明的發光地磚，產品的尺寸與地磚的尺寸相協調，即符合模數的要求：150×150; 200×200；200×100；300×300；400×200等。圖7 地面燈具第5章 LED廣告燈光的設計與應用5.1 LED廣告燈光的種類戶外廣告牌、燈箱、樓宇大字、LED發光字、霓虹燈廣告、廣告牌、招牌、指示牌、標志標識、燈箱、dm直投、夾報、工地圍擋、道旗、金屬字、室內燈箱等5.2 LED控制系統目前控制系統主要有以下幾種方式。 （1）以單片機為控制器的LED顯示屏，因為受到單片機運算速度及通信速率的限制，動態顯示的刷新率不可能太高