12w大功率LED筒灯设计毕业论文

皖 西 学 院本科毕业论文（设计）论 文 题 目 12w 大功率 LED 筒灯设计 姓名（学号） （2009011687） 系 别 机械与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 导 师 姓 名 董海燕 翁志远 二 一 三 年 六 月I12w 大功率 LED 筒灯设计作 者 王指导教师 董海燕翁志远摘要：近年以来随着半导体材料生长技术与器件封装工艺的进步，大功率 LED 灯的发光效率及可靠性得到了很大的提高。但是由于 LED 的外观，驱动电路的设计，发光特性和透镜的选择等与传统灯源不同，使得现有的供电和照明系统无法完全适用于 LED。所以如何对 LED 灯进行外形，驱动电路，透镜选择等光学系统，散热，结构的设计，对发挥大功率 LED 灯的潜能，促进整个半导体照明产业的发展以及促进人民生活质量的提高具有不可或缺的作用。本文首先介绍了LED灯的概念，原理，实质及照明灯具产业的发展现状及意义，阐述了照明理论与灯具设计基础；针对12w大功率LED筒灯驱动电路的以及其他的设计，本文采用比较，思考，分析，计算的方法，不断进行修改，不断进行改进，最终在满足12w大功率以及确定外观，散热，透镜等的设计的条件下尽可能达到经济简单，为大功率LED筒灯产业的更进一步发展，做出自己的贡献。关键字：大功率 LED 筒灯 设计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目录引 言 .11 LED 的介绍 .21.1 LED 灯的简单概述 .21.2 LED 灯的发展史 .41.3 与传统灯的差异 .41.4 LED 灯具的结构特征 .62 LED 筒灯的设计 .72.1 整体外观的设计 .72.2 驱动电路的设计 .82.2.1 传统 LED 驱动电路 .82.2.2 LED 的改进驱动电路 .102.2.3 电容降压的 LED 驱动电路的简单介绍 .112.2.4 设计的驱动电路 .133 LED 铝基板和散热器的设计 .143.1 铝基板的介绍 .143.2 LED 铝基板的分析 .153.3 热分析 .163.4 设计的铝基板 .173.5 散热器的设计 .193.5.1 散热器的介绍 .193.5.2 散热器稳态温度场分析 .194 LED 透镜 .244.1 LED 透镜的材料种类 .244.2 透镜的应用分类 .244.3 LED 透镜规格分类 .254.4 LED 透镜的设计与模具加工 .264.5 设计的透镜 .27结论 .28致谢 .29参考文献： .30皖西学院本科毕业论文（设计）第 1 页引 言LED 日光灯作为一种光亮柔和而有效的光源在全世界很受欢迎，无论是在家居、商店、办公室、学校、超市、医院、剧场，影楼，戏院还是在商业冰柜、广告灯箱、地铁、车站、人行隧道、人防工程、夜市灯饰照明、公园等，只要需要照明的地方都可以见到 LED 日光灯。传统的 LED 日光灯其电源的利用率并不理想：附加镇流器功耗较大，开启时需要辅助高压；日光灯管内置的水银在废弃时无法处理，成为污染环境的公害。而且日光灯管的荧光粉在充入日光灯管过程中，含有很多量的汞(水银)，所以日光灯管破裂后，跑出来的水银蒸气对人体的危害较大。权威资料表明：汞蒸气达 0.04 至 3 毫克时会使人在 3 至 4 月内慢性中毒，达 1.2 至 8.5 毫克时会诱发急性汞中毒，如若其含量达到 20 毫克，会直接导致动物的死亡。第四代新型节能光源，LED 光源诞生之时即被用来做各类灯具的发光光源。0.07W 的白光LED 草帽灯、食人鱼是最早被用在 LED 日光灯的发光灯条上的。每个 LED 日光灯管使用数量不等，约 290-360 颗。而且现在新一代的 LED 日光灯发光灯条使用从 0.06W 到 1W、显色为纯白、汗白、青白、暖白、冷白、的贴片 LED 平面光源。节能省电是 LED 日光灯的最大特点。以 T8 日光灯为例，标称 36W 的荧光日光灯(CFL)，其附加镇流器耗电 8W，工作时实际耗电 44W，照亮流明为 420lm，使用寿命 3 千小时。而同样规格的 LED 日光灯，工作时实际耗电仅 16W，照亮流明为 550lm，使用寿命可达 3 万小时。然而与传统的照明系统不同，由于传统的技术还不够成熟，目前大功率的 LED 筒灯的制作数量不是很多，特别是大功率 LED 筒灯驱动电路的设计，总是很难达到既经济又简单，本文中主要阐述了大功率 LED 筒灯驱动电路、外形、结构、散热等的设计，论述了自己的观点，在满足大功率的条件下，尽量满足经济简单的要求。皖西学院本科毕业论文（设计）第 2 页1 LED 的介绍1.1 LED 灯的简单概述LED 是发光二极管（light emitting diode）英文的缩写。是一种固态的半导体元器件，它可以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，而另一端连接到电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主要的地位，另一端是 N 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 P-N 结。当电流通过导线作用到此晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就以光子的形式发出一定的能量，这就是 LED 发光的原理。然而光的波长也就是光的颜色，是由形成 P-N 结的材料所决定的。电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱还与电流有关。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。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 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及 20mm 等。国外通常把3mm 的发光二极管记作 T-1；把 5mm 的记作 T-1（3/4） ；把 4.4mm 的记作 T-1（1/4） 。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。（2）标准型。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，散射剂的量较大。按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度100mcd） ；把发光强度在 mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA,而低电流 LED 的工作电流在2mA 以下（亮度与普通发光管相同） 。LED 因其颜色不同,所以其化学成份不同。如：红色 ：铝-铟-镓-磷化物；绿色和蓝色: 铟-镓-氮化物。白色和其它色都是用 RGB 三基色按适当的10-100比例混合而得到的。LED 的制造过程有点类似于半导体,但加工的精度还不如半导体,目前成本仍然较高。它具有耗电省（电流只有20-30mA）；亮度高（发光强度可达上万个 mcd）；体积小（直径最小可达1mm）；重量轻（一颗发光管仅重零点几克）；寿命长（10万小时）；外观优美等优点。单个 LED 的发光强度以 cd 为单位，同时配有视角参数，发光强度与 LED 的色彩没有关系。单管的发光强度从几个 mcd 到五千 mcd 不等。LED 生产厂商所给出的发光强度指 LED 在皖西学院本科毕业论文（设计）第 3 页20mA 电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点，封装 LED 时顶部透镜的形状和 LED 芯片距顶部透镜的位置决定了 LED 视角和光强分布。一般来说相同的 LED 视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个 LED 较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据 LED 视角和 LED 的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以 30%-90%不等，作为单管平均发光强度。一般 LED 的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为 100000 小时以上，实际还应注意 LED 的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的 UR 红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与 LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为 69%,红色的亮度为 21%,蓝色的亮度为 10%时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但 LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色 LED 显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为 3:6:1 比例的 LED 器件组成像素,白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。皖西学院本科毕业论文（设计）第 4 页1.2 LED 灯的发展史随着 LED 照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助等公共场合，LED 渐渐替代了一些传统光源产品。2009 年，LED 开始在发达国家进入主照明普及。在电费较高，使用时间较长的商业应用场所，LED 灯具迅速成为市场的新宠。作为 LED 照明灯具的用途，LED 市场发展分几个阶段。第一阶段，LED 灯具实用新型阶段。市场对 LED 灯具产品有了一定的认可和接受，LED灯具的环保，体积小，高可靠性等其他特征逐渐凸显出来。由此而开发的一系列完全有别于传统光源应用的产品会大行其道,照明行业会出现更大更广的一个发展空间。光源不再是仅仅起到照明作用，它的多变使得更贴切人们工作生活中的点点滴滴,个厂商拼的是设计应用优势。第二阶段，LED 灯具智能控制阶段。随着物联网等新技术的发展，LED 作为半导体产业，也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特点。从家庭到办公楼，从道路到隧道，从汽车到步行，从辅助照明到主照明，具备智能控制的 LED 照明灯具系统将给人类带来更高等级的服务。LED 灯具产业也将由做产品，到设计产品，到提供整体解决方案的历程。 第三阶段，LED 灯具替代接受阶段。这一阶段指的是 LED 灯具在发展初期，主要体现出其光效高（能耗小） ，寿命长的特点。因为售价高，所以在这一阶段主要为商照市场。客户有一个接受的过程，首先是使用习惯和外观上的过渡与接受，在与传统光源一致的使用情况下，LED 灯具体现出的节电，长寿等特点使得市场容易接受它的相对高价,尤其是在商用场合,各厂商拼的是质量价格优势。1.3 与传统灯的差异目前， LED 灯具与传统光源灯具就性能、评价和设计等方面都存在着很多不同地方。1.在 LED 灯具性能评价方面。（1）色空间均匀度来评价。LED 灯具的存在的不同观察角颜色差异。统光源单个发光体的特点不同，LED 灯具使用的 LED 灯是多个发光体组成并且发光的，LED 灯具中的发光体之间存在颜色差异性，需要使用色空间均匀度来评价 LED 灯具颜色的空间分布情况。（2）用使用寿命来评价 LED 灯具的耐用性。传统光源使用寿命性能的测量和评价已经标准化，并且具有互换性，所以传统光源灯具的寿命可以通过替换损坏的光源、以及按 10 年寿命设计灯的控制装置来满足所要求，所以一般不会评价传统光源灯具的寿命。皖西学院本科毕业论文（设计）第 5 页LED 灯具的寿命与 LED 本身寿命、 LED 驱动器以及灯具提供给 LED 的环境等很多因素都有关，并且目前 LED 灯形式较多，除了带标准灯头的 LED 除外，其他 LED 灯都不具有互换性，这样对不同的 LED 灯具，其寿命只有通过相关的寿命评价才能最终确定。在评价 LED 灯具寿命时，不仅要声称光通维持寿命，而且还要声称失效率。传统照明灯具是用灯具得效率来评价，然而 LED 灯具使用的是光效评价。不像传统照明光源可单独进行光度得测试，光度测量时也可以使用相对的方法，由于 LED 光源对温度极其敏感，不适宜将 LED 光源从灯具内分离出来单独测量，所以进行光度测量时应采用绝对法对灯具整体进行光度的测试。2.在 LED 灯具设计方面。（1）光学系统方面。灯具中的光学系统可谓是灯具的灵魂，根据选定光源特性设计符合具体照明要求的灯具光学系统。通常传统光源灯具的光学系统由光源、灯座、反射器和透光罩等各部分组成。但由于一些 LED 单元具有 2 发光的光度特性，所以灯具的光度系统与传统光源灯也有很大的差出。具体表现特征如下所示：LED 灯具光学系统一般是由 LED 芯片和透镜组成的 LED 阵列或 LED 模块，阵列有时排列在整齐的铝基板上，也可能是在突起的或者是凹下的成型基板上，灯具制造商可根据照明的需求，将多个 LED 单元或数十个 LED 单元组合在铝基板上，而且应注意控制组合后 LED 单元光色的是否一致性，然后考核 LED 灯具的色空间均匀度。由于 LED 的光电特性对 PN 结温度的变化非常的敏感；封装树脂在高温和强光照射下也会快速得劣化；长期的光辐射会使荧光粉的光致转换率逐渐的下降，并会导致色坐标的偏移。（2）电气元配件方面。LED 驱动电源既是构成 LED 灯具性能优劣的关键的因素，也是灯具选择或设计要件的因素之一。LED 灯具电气设计应考虑到灯具使用 LED 特性和数量、灯具等的安装地点，和灯具在电网中的位置来考虑电气安全、恒流驱动、抗扰度或设计合适的 LED 的驱动电源。由于 LED 是 2V3V 的低电压恒流源的驱动，所以不像普通的白炽灯泡可以直接连接到 220V 的交流市电上，必须要设计恒流电源和控制电路来驱动 LED。此外， LED 模组的电气连接也是 LED 灯具电气系统的组成部分，应该充分考虑到其安全性，应采用标准的充分绝缘、防触电保护等措施。（3）散热措施方面。与传统光源灯具一样，LED 灯具当然也是会发热的，LED 灯具的热来自 LED 光电转换中的能量损耗以及 LED 驱动电源等方面。与传统电光源发光原理不同，LED 的发光是电致的发光，由于转换效率等问题，输出的大部分能量主要是以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化成热能。而热量在 LED 内的传递的方式不是辐射而是传导。所以在 LED 灯具散热设计中主要的目标是有效地将 LED 芯片的热量传导出去，并有效地控制 LED 灯具内 LED 的温度。对于 LED 灯具，除了 LED 是发热的元件外，LED 灯具中的驱动器当然也是发热元件，为了保证具其有与 LED光源协调的寿命，LED 驱动器的热控制也是非常重要的，如果采用内装驱动电源，灯具应根据其内环境温度选择标有相应温度的驱动器。而当驱动器独立安装时，则应该根据安装地可皖西学院本科毕业论文（设计）第 6 页能的环境温度来选择相对应的驱动器。（4）机械部件和结构方面。机械的作用是通过结构设计把灯具的光学系统和热系统的位置和相互关系最终确定来，使灯具能够在设定的环境中固定并安全的使用。传统灯具的机械系统由固定光源、反射器、灯的控制装置等各部分部件的结构、软线的走线结构、密封结构、机械防护结构、灯具固定结构和灯具调节结构等部分构成，具体的说是由灯座或光源连接器、灯座安装支架、软线固定架、接线端子座、外壳、灯罩和灯具安装架等各部分组成。由于 LED 光源的特性，LED 灯有封装、模组、LED 光引擎、整体式 LED 灯、非整体式 LED 灯等几种形式，除了最后两种形式可能具有与传统光源灯具类似内部结构以外，其他的 LED 灯不带有标准灯。1.4 LED 灯具的结构特征LED 灯具中没有灯座，而是用连接件完成 LED 灯与灯具的各种连接，并采用其他的方式将 LED 灯固定到灯具的主体上。为了导出 LED 芯片产生的热，LED 灯具有大量的散热片，灯具的体积和重量比传统光源灯具大得多，灯具的安装结构也应作相应考虑，以保证安装的安全性和可靠性。同时散热片应设计成容易清洁的结构，否则，散热片的效率会很快的降低。另外 LED 灯具与传统灯最大的区别体现在它的功耗上：它的最大功耗才 10 瓦,长度 1.2 米,是普通光管 40 瓦的前身;其次的功耗是 7.5 瓦,长度 0.9 米,是普通光管 30 瓦的前身;最小的功耗是 5 瓦,长度 0.6 米,是普通光管 20 瓦的前身。外壳采用高级塑料精工制作而成、耐用、耐摔.内部采用世界最先进的高科技二极管芯片发光材料，使产品亮度达到一流要求，又采用与传统日光灯相反的降压技术与节能技术完美相结合,使功耗和温度降到最低，节能达到极限，它的问世将是世界照明史上又一次重大的突破与变革，将讯速淘汰原来的白炽灯和传统日光灯。点亮无延迟，响应时间更快，传统玻壳灯泡则有 0.3 秒的延迟，防