LED照明技术现状调查分析 毕业设计论文.doc
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1、LED照明技术现状调查分析摘 要LED作为新的、最有潜力的光源,越来越引起人们的重视。LED从早期仅仅作为一只普通的指示小灯,用在像电视机、录音机等家电上,到今天被广泛地用作户外显示、交通信号、汽车尾灯和景观照明,以及正在开始的路灯照明和大尺寸LCD背光光源,经历了差不多20-30年的时间,其发展之迅速是有目共睹的。特别是LED在5-10年将进入通用照明市场的预期更是牵动了无数颗激动的心,有很多有志之士想在这方面有所贡献,或参与到这个历史的洪流当中。也正是因为大量人力、物力的投入,才使得LED照明技术和市场近几年发展的异常迅速。关键词:LED;光源;指示小灯;路灯照明;发展;异常迅速Abstr
2、actLED for new, the most potential source of light, more and more attracted peoples attention. LED from the early merely as a common instructions small lights, like TV sets in, tape recorder, home appliance, today be widely used as a outdoor display, traffic signal, automobile tail lights and landsc
3、ape lighting, and are beginning to the street lamp lighting and big size LCD backlighting the light source, experienced almost 20 to 30 years, the rapid development of it is obvious to all. Especially in LED 5-10 years will enter the general lighting market expectations but also affects the millions
4、 of excited heart, there are a lot of people with lofty ideals to make some contributions in this, or to participate in the history of the stream. It is also because a large number of manpower and material resources into, that LED lighting technology and market in recent years the rapid development
5、of abnormal.key words:LED; Light source; Instructions small lights; Street lamp lighting; Development; Exceptionally rapid目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 论文的研究背景及意义11.2 国内外研究历程及概况31.3 论文的研究目标及内容3第2章 LED照明技术的特点52.1 LED的基本概念和特点52.1.1 LED的基础概念52.1.2 LED术语52.1.3 LED的发光特点62.2 LED照明原理72.2.1原理简介72.2.2性能特点82.2.
6、3 LED照明的设计理念82.3 LED照明的优点92.4 LED照明的缺点102.5 LED的基础运用102.6 LED照明与光纤照明的比较11第3章LED技术的现状153.1 国外LED技术现状分析153.2 国内LED技术现状分析183.3 制造技术分析20第4章LED照明技术发展趋势224.1 LED照明的技术的前景224.2 LED未来发展的方向224.3 提升LED 产业发展的几点意见24结束语26致 谢27参考文献28第1章 绪论1.1 论文的研究背景及意义LED作为新的、最有潜力的光源,越来越引起人们的重视1。LED从早期仅仅作为一只普通的指示小灯,用在像电视机、录音机等家电上
7、,到今天被广泛地用作户外显示、交通信号、汽车尾灯和景观照明,以及正在开始的路灯照明和大尺寸LCD背光光源,经历了差不多20-30年的时间,其发展之迅速是有目共睹的。特别是LED在5-10年将进入通用照明市场的预期更是牵动了无数颗激动的心,有很多有志之士想在这方面有所贡献,或参与到这个历史的洪流当中。也正是因为大量人力、物力的投入,才使得LED照明技术和市场近几年发展的异常迅速。高亮度LED(HB-LED)技术的飞速发展使LED成为普通照明光源的时日越来越近。LED发光效率、寿命以及光输出的明显改善激活了LED照明应用的早期专用市场,看好LED照明的人士深受鼓舞,并相信其将对未来十年照明市场产生
8、重要影响。实际上,美国、日本、韩国及中国( 包括台湾地区) 等都已提出LED照明(即固体照明)计划,并正在进行相关研究与开发。照明用电占整个用电量约五分之一,因此这些计划的首要目的就是节能,其次可减少石油进口、降低温效应以及节省用户成本。LED(HB-LED)应用渐宽技术进步明显目前,LED(HB-LED)应用领域主要是手机、显示、汽车、照明、信号灯以及其他领域。虽然受2001年世界经济下滑的影响,但1995年-2002年间LED(HB-LED)市场的年均增长率仍在47%以上,2002年产值达到18亿美元,2003年产值超过估计可达25亿美元。从表1可以看出,照明HB-LED仅占2002年整个
9、HB-LED 市场的5%,但它却是增长最快的市场之一,正是这一点引起人们的极大关注。与传统照明光源相比,LED寿命长,这是其应用看好的主要原因,尤其是在可靠性要求高以及维护成本也较高的场合。例如,机器照明中灯光故障致使生产线停工所造成的损失,要远远高出 LED 与传统光源之间的价差。LED在机器照明、建筑及零售业等照明领域的应用已有数年历史,但许多其他领域照明系统设计者还刚刚开始理解其特性,并把LED当成新的照明工具进行试验。LED不但色彩饱和,而且设计灵活,颇受设计人员青睐。迄今为止,绝大多数LED照明应用都是彩色的。红、绿、黄LED的组合使色彩及灰度(167万色)的选择具有较大的灵活性。此
10、外,与传统白光源相比,LED节能 80-90%,并且光束不产生热量。在白光应用中,LED的发光效率是白炽灯及卤素灯的2倍以上,并且最好的白色LED比标准60-100W白炽灯(17lm/W)的效率要高出许多。目前,在实验室中演示的白色 的发光效率已接近荧光灯80lm/W。LED的主要缺点是成本高、光输出低,这是LED技术攻关要解决的主要问题,最近几年已取得较大进展。对商业白色LED来说,利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高倍,并使每流明光输出的成本下降80%。有关人员称,将来正式生产时其性能还会提高成本还会下降,预计在未来5年内LED在照明市场应用将取得实质性进展。LED照明技
11、术研究的意义在于: 节能价值,对社会产生巨大的能源效益中国绿色照明工程办公室节能调查结果十分惊人,中国能源的12%用在了照明上,每年约3000亿度以上,如果用LED技术取代全部白炽灯或部分取代荧光灯,可节省1/3的照明用电,就意味着节约1000亿度,相当于一个总投资超过2000亿元人民币的三峡工程全年的发电量。这对能源供给紧张日益凸显的中国来说,无疑具有十分重要的战略意义。 环保价值,对人类产生“功在当今,利在千秋”的环保效益(白光)LED不仅节能,而且无热辐射、不含水银等重金属,无污染及废弃物处理问题等众多优点,因此被视为“绿色照明光源”的明日之星,在不久的将来,将取代目前为照明市场的主流白
12、炽灯泡及荧光灯(日光灯);其广泛应用将同样产生不可估量的环保效益。因此,LED技术产业其自身的节能和环保特征,是影响一个国家或地区“能源战略”和“环保战略”的重要产业,因此世界各国、地区领导人都十分重视这一产业的发展培育。1.2 国内外研究历程及概况一, 国内研究历程 二, 国外研究历程三,我国与美国LED技术研发对比美国从事 行业的相关公司起点高 , 投入雄厚 , 核心竞争力强。美国 公司是生产 衬底及 衬 底 上 蓝 绿 光 产 品 国 际 著 名 的 公 司 ; 公司是安捷伦( 前身是 公司 ) 和照明巨头菲利浦公司联合成立的功率 公司 , 在红光及功率型 芯片制造中发明了很多原创性专利
13、 ; 通用 电 气 公 司和 设 备 制 造 商 成 立 公司也是瞄准了照明市场。而我国 总体研发水平不高 , 资源配置不合理 , 人才、资金使用分散 , 存在低水平重复现象 ; 缺少核心专利技术和行业标准 ; 企业规模小 , 缺乏竞争力 ; 资本市场不完善 ,资本投入往往急功近利 , 融资困难。封装企业由于我国有劳动力优势 , 在珠江三角洲及长江三角洲蓬勃发展 , 美国一些 企业如 公司就专做设计 , 再委托中国加工。1.3 论文的研究目标及内容第2章 LED照明技术的特点2.1 LED的基本概念和特点2.1.1 LED的基础概念LED是Light Emitting Diode的缩写,即发光
14、二极管。是一种半导体固体发光器件,它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。2.1.2 LED术语波长:光的色彩强弱变化,是可以通过数据来描述,这种数据叫波长。我们能见到的光的波长,范围在380至780nm之间。单位:纳米(nm) 亮度:亮度是指物体明暗的程度,定义是单位面积的发光强度。单位:尼特(nit) 光强:指光源的明亮程度。也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。 单位:烛光(cd) 光通量:光源每秒钟所发出的可见光量之总和。单位:流明(Lm) 光效
15、:光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位:每瓦流明(Lm/w)。 显色性:光源对物体呈现的程度,也就是颜色的逼真程度。通常叫做显色指数,室内显色性通常表示为Ra,以数值表示。Ra100为日光下的显色性。 色温:光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。(只有白光才有色温) 单位:开尔文(k)。 眩光:视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比,所造成的视觉不舒适称为眩光,眩光是影响照明质量的重要因素。 同步性:两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行,一般指内控方式的LED灯,同步性是LED灯实现协调变化的基本要求
16、。 防护等级:IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级,由两个数字所组成,第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵入的等级(分0-6级),第二个数字代表灯具防湿气、防水侵入的密封程度(分0-8级),数字越大表示其防护等级越高。 光周期:自然界或人造的能够影响生物有机体的亮暗循环。; T/ i S5 s; 8 z ?光度测量:根据给定的光效函数,如V()和V(),测量辐射量的方法。7 G% u9 g+ t1 P/ x* S光强分布:光源或者灯具在空间各个方向的光强分布。6 e5 p. t% s: 5 - U 光强曲线图(表):光强由极坐标或者图表给出,表中的数值为光源在每1000流明光通时产
17、生的光强。对于光强非对称分布的情况,可采用两个不同平面内的光强分布图来表示该灯具的光强分布情况。2.1.3 LED的发光特点白光LED基本上有两种方式,一种是多晶片型,一种是单晶片型。前者是将红绿蓝三种LED封装在一起,同时使其发光而产生白光,后者是把蓝光或者紫光、紫外光的LED作为光源,在配合使用荧光粉发出白光。前者的方式,必须将各种LED的特性组合起来,驱动电路比较复杂,后者单晶片型的话,LED只有1种,电路设计比较容易。单晶片型进一步分成两类,一类是发光源使用蓝光LED,以460nm波长的蓝光晶粒涂上一层YAG萤光物质,利用蓝光LED照射此一萤光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光,
18、再利用透镜原理将互补的黄光、蓝光予以混合,便可得出所需的白光(日亚专利),生产较容易,其效率较高,成本较低,目前大部分白光LED采用此方法;另一类是使用近紫外和紫外光,丰田合成(Toyoda Gosei)与东芝所共同开发的白光LED,是采用紫外光LED与萤光体组合的方式,与一般蓝光LED与萤光体组合的方式做区隔。蓝光LED与萤光体的组合方式,当照在红色物体的时候,其红色的色泽效果比较不理想,紫外光LED与萤光体组合可以弥补这个缺点,但是,其发光效率却仍低于蓝光LED与萤光体组合的方式,至于价格与产品寿命,两者差距不大。在过去,只有蓝光LED使用GaN做为基板材料,但是现在从绿光领域到近紫外光领
19、用的LED,也都开始使用GaN化合物做为材料了。并且伴随着白光LED应用的扩大,市场对其效能的期待也逐渐增加。从单纯的角度来看,高效率的追求一直都是被市场与业者所期待的。但是另一方面,演色也将会是一个重要的性能指标,如果只是做为显示用途的话,发光色为白色可能就已经足够了,但是从照明的用途来说,为了达到更高效率,如何实现与自然光接近的颜色就显得非常必要了。LED光源的特点是: 多变幻LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化,是一种可随意控制的“动态光源”。 寿命长LED 光源无灯丝、工作电压低,使用寿命可达5万到10万小时,也就是5年到10
20、年时间。 利环保生产中无有害元素、使用中不发出有害物质、无辐射。 高新尖与传统光源比,LED 光源融合了计算机、网络、嵌入式等高新技术,具有。2.2 LED照明原理2.2.1原理简介LED(Light Emitting Diode)就是发光二极管,是包含一个PN结组成的电子元件。核心部件就是包含这个PN结的芯片(chip)。芯片决定了这个LED的光电性能。当有足够的电压加到PN结两端时(P型材料接正极,N型材料接负极),P型半导体材料中的“空穴”和N型半导体材料中的电子就复合,复合以后就释放能量,以光和热两种形式发出,如图1所示。图1 LED的PN结发光示意一个用于照明的LED不仅要具有完整的
21、PN结半导体材料芯片,还需要一些额外的封装结构使它能正常工作,比如芯片的固定,导线的连接,用于引出光线的透镜等。图2 是一种具有代表性的白光LED实物和结构分析。 (a)LED实物 (b) LED结构图2 LumiledsK2大功率LED 2.2.2性能特点以下是目前,LED与现在商用普及的白炽灯、节能灯等光源性能在一些常用参数上的比较,评价一个光源的好坏,主要就是采用下列参数进行,数据来自于商用主流产品。表1 白炽灯、节能灯等光源性能常用参数上的比较发光效率(lm/w)显色指数(CRI)使用寿命(h)其他白炽灯5-2080-100500-3000耐高温荧光灯60-10060-855000-1
22、2000-LED40-11060-9010000-50000体积小,无紫外红外线还有很多特点没有一一列出,由图大致可见,LED之所以在近几年发展迅速,大受关注,在于LED在作为一个光源时各方面指标都不错。鉴于发展的阶段,或者是LED发光材料本身的限制,虽然可能在某一个特别项目上略微比不过传统光源,但综合性能好。尤其是它的高光效和长寿命,更是在能源问题倍受关注的今天崭露头角。2.2.3 LED照明的设计理念LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路,目前有两种最新的设计理念。 1.情景照明:是2008年由飞利浦提出的情景照明,以环境的需求来设计灯具。情景照明以场所为出发点,旨在营造一种漂亮、绚丽
23、的光照环境,去烘托场景效果,使人感觉到有场景氛围。 2.情调照明:是2009年由凯西欧提出的情调照明,以人的需求来设计灯具。情调照明是以人情感为出发点,从人的角度去创造一种意境般的光照环境。情调照明与情景照明有所不同,情调照明是动态的,可以满足人的精神需求的照明方式,使人感到有情调;而情景照明是静态的,它只能强调场景光照的需求,而不能表达人的情绪,从某种意义上说,情调照明涵盖情景照明。情调照明包含四个方面:一是环保节能,二是健康,三是智能化,四是人性化。 凯西欧公司总经理吴育林先生编著了一本“情调照明书”,是中国第一本引领LED照明设计潮流的书籍,打破了设计理论长期被国外巨头垄断的局面,使LE
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