LED半导体照明灯光设计毕业论文目录1引言 (1)1.1半导体照明光源的提出. (1)1.2 LED的特性 (1)1.3 LED照明现状及发展趋势 (4)1.4相关光度学参数简介 (7)1.5本课题的研究容 (7)2 LED的封装与组装 (8)2.1 LED封装方法的分类 (8)2.2功率型LED封装存在的问题 (9)2.3封装发展趋势 (9)2.4新颖的LED阵列封装技术——流体自组装 (10)3 LED光源的光电参数 (13)3.1 LED发白光的原理 (13)3.2 LED特征参数简介 (13)3.3LED照明光源光度参数的计算 (14)4 LED照明光源的制备 (17)4.1 LED吊顶灯与射灯的设计 (17)4.2 LED光源驱动电路 (18)4.3串联调整型稳流电源工作原理 (23)4.4便携式LED采用的驱动设备 (26)4.5照明光源的组装 (28)4.6实验测试与结果分析 (29)5 LED的散热问题及解决方案 (32)5.1热对LED的影响 (32)5.2 LED光源的热传导和疏散 (32)5.3实际制作的LED散热器及测试 (32)6结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)外文资料原文 (37)译文 (39)1引言1.1半导体照明光源的提出随着全球能源价格的飞涨和供应不稳定，世界各国纷纷寻求各种节能方法，以减轻对能源的过度依赖。

这其中，占电能终端消费量近20％的照明用电很有发掘潜力。

据检索，2004年中国累计发电21870亿度，照明用电约占其中的15％；美国2003年照明用电6000亿度，占发电总量的约20％。

由于人们生活对电的严重依赖以及对电力需求量的逐年攀升，电力供应不足或中断会对人们生活造成巨大的影响，近年来中国不断恶化的拉闸限电趋势以及2000年美国和加拿大的大停电等都说明了这一点。

现在，随着半导体发光技术的进步，人们将照明节电的希望寄托在一种新型的照明光源——固态照明光源（Solid State Lighting,SSL）上。

SSL主要包括无机发光二极管（Light Emitting Diodes, LED）和有机发光二极管（Organic Light Emitting Diodes, LED）。

目前LED的亮度较OLED高，其发光效率和发光量提高很快，特别是可用作照明的大功率发光二极管（High-Power Light Emitting Diodes），其发光效率已经超过白炽灯，并向荧光灯的水平迈进，单颗芯片的输入功率已可达5W，甚至10W的水准，而其发光量已超过100流明。

作为充满希望的新一代照明光源，LED具有很多特点：它不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果；LED为固体封装，结构牢固，使用寿命长达10万小时以上，是荧光灯的10倍，且废弃物不含汞，不会造成二次污染。

根据美国光电工业发展协会（OIDA）的研究，LED照明光源潜在的优点包括：到2025年，估计全球围由于使用SSL而将节约50％的照明电能，没有任何一种其它的电能消耗行业具有如此大的节能潜力。

由于大多数电能来自燃烧矿物燃料，因此节约的电能就相当于每年少向大气中排放几亿吨的碳化物（CO，CO2等）等污染源。

不仅减轻对环境的压力，还能节约对电站的投资和巨大的照明支出费用。

SSL代表了一种新型的照明光源，它将改变人们对人工照明光源的看法，并创造一个年产值近500亿美元的产业。

灯光设计师能将结构精巧、式样新颖的LEDs以面阵列的形式，以任何图案和外形组装在门上、墙上、天花板上，甚至嵌入在家具中，形成无器具感的明亮均匀照明。

因此，作为一种新型绿色照明光源，LED，特别是有望进入通用照明领域的大功率白光LED引起了人们广泛的关注和深入的研究，它很有可能在不久的将来取代荧光灯等传统光源，成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯（High Intensity Discharge，HID）之后的第四代人工照明光源。

1.2 LED的特性1.2.1 LED发光原理发光二极管是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如GaAs、AlGaInN、GaAsP等半导体材料在衬底（蓝宝石，硅或SiC等）上外延生长而成，通常采用双异质结和量子阱结构，其核心是PN结。

P－N结是携带电子的n型半导体和携带空穴的p型半导体间的过渡层。

当p层加上正向电压而n层加上负向电压，电子就从n层流入p 层，空穴从p层迁入n层。

在p层中电子较少而存在大量的空穴，反之在n层中，空穴较少而存在大量的电子。

这些电子与空穴的区别是其能量与动量的不同，能量之差称之为半导体材料禁带宽度Eg。

导带中的电子与价带中的空穴相互复合时，要释放出多余的能量。

放出能量的方式有两大类：②射光子，成为辐射复合；②不发射光子，成为非辐射复合，最后转换为热能或激发别的载流子。

在热平衡状态下存在着热激发与载流子间复合的平衡。

由于不管是p区还是n区中少数载流子（少子）密度都很小，这种复合是很弱的。

即使有辐射复合，由于材料的本征吸收，从外部是观察不到光发射的。

必须在半导体激发载流子，形成不平衡载流子，即需正向电流注入，它们的复合才会导致显著的光发射,实现电能向光能的直接转换，如图1-1所示。

图1-1 LED发光原理图为了获得高的发光效率，需要保证以下几点：无辐射复合的寿命要长于辐射复合的寿命，为此需要提高少子的密度；要使晶体中的缺陷密度尽可能少而使注入的载流子密度高，一般是把带隙宽度小的发光层夹到禁带宽度大的层，制成异质结结构，如图1-2所示。

理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，λ=（nm），式中Eg的单位为电子伏特（eV），若能产生可见光（波即1240/Eg长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

目前已开发出发射红外、红、黄、绿及蓝光的发光二管，其中蓝光二极管是近来人们研究的重点，它具有输入功率大、发光亮度高、易于转换得到白光等优点，是大功率发光二极管的主要代表。

1.2.2 LED的优点LED是一种新型的光源，目前广泛用于指示性照明和特种照明市场上，随着性能的不断提高，正向通用照明光源的方向发展。

与传统人工照明光源相比，LED照明光源具有很多优点，其发展潜力非常巨大：A发光效率高：基于特别的材料构成，在电子转移的过程中，LED释放的能量主要集中在可见光围，不像钨丝灯发出的电磁能很多集中在红外线区，令人感觉到非常热。

也就是说，理论上LED几乎能把所有的电能都转化为光能，而白炽灯的可见光效率仅为10-20%。

现在商品化的LED的发光效率已超过35流明每瓦，这几乎是钨丝灯泡的两倍。

B光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有辐射，产生的热量很小，LED属于典型的绿色照明光源。

C光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的LED光谱狭窄，发出的光线很纯。

D LED光源颜色丰富：既有白色的LED，也有发各种单色光的LED，而且颜色饱和度高，在需要色光的场合，不再需要用滤色片来进行滤光，有利于节约电能。

E能耗小：单体LED的功率一般在0.05-3W，通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要，浪费很少。

F寿命长：目前光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时，远远高于白炽灯的1500小时和荧光灯的1万小时。

G可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，维护费用极为低廉。

H应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，目前封装后LED 的厚度可小于1mm，易于做成点、线、面等各种形式的具体应用产品。

I绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞等有害成分。

1.2.3 LED的发展与分类最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1 lm/W。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生了绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1 lm/W。

到80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。

进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明[7]。

这样整个可见光波谱的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。

A．发光颜色从出光颜色上可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光、白光等。

B．按发光强度分按发光强度分有普通亮度的LED(发光强度<100mcd)，高亮度LED(发光强度>l00mcd)，发光强度在10000mcd以上的称超高亮度发光二极管。

C．按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm,φ4.4mm,φ5mm,φ8mm,φ10mm及φ20mm等。

人们通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的记作T-1(3/4)。

D．按发光强度角来分从发光强度角分布图来分有三种：高指向型，标准型和散射型。

高指向型一般为尖头形环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂，半强度角为50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；标准型的半强度角为200-450，通常作指示灯用；而散射型的半强度角为450-900或更大，散射剂的量较大。

1.3 LED照明现状及发展趋势LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。

最初，LED的发光量很小，主要采用支架式封装，应用于电子电气、自动化系统、家用电气和交通运输工具等上面作指示性照明。

进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐渐进入市场并占据重要地位。

1998年，蓝色和白光LED研制成功，LED照明进入了实施阶段。

此后国外科研机构对高亮度LED器件中存在的散热、光衰和显色指数的控制等重大问题进行了深入的研究，获得了很大的进步，其发光效率迅速提高，高亮度LED显示出在照明领域的巨大潜力。

1.3.1大功率LED的研发计划如上所述，LED照明光源具有非常多的优点，特别是自1998年白光LED发明后，人们认识到了大功率白光LED在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加大研究投入，从而掀起了了一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯逐步替代白炽灯和荧光灯。