毕业设计 LED路灯照明系统散热设计及模拟仿真

1、 毕业设计（论文）目 录1.绪论11.1绿色光源led的现状11.2论文主要研究的内容32.国家“十城万盏”led半导体照明工程实施进展情况43.光的照明基础知识63.1光度学基础知识63.1.1光的基本概念和理论63.1.2光的传播特性73.1.3光的基本度量93.2色度学基础知识113.2.1颜色113.2.2与颜色有关的照明参量134. led在各个领域中的应用154.1 led汽车照明154.2 led道理隧道照明174.3 led在其它方面的应用205. led的发光原理及主要参数、特性225.1 led的发光原理及结构225.2 led主要参数及特性245.2.1 led的电学特性

2、245.2.2 led的光学特性255.2.3 led的热学特性256.大功率led灯散热设计276.1 led散热的必要性276.2 led的散热技术277. led路灯设计297.1城市道路照明设计标准297.2设计目标为校园路灯307.3计算所需要led的个数307.4路灯灯头设计327.5 led路灯的散热338. led路灯散热设计（软件仿真）348.1 icepak软件介绍348.2用icepak进行热仿真及分析348.2.1建模348.2.1对模型进行热分析359.校园led路灯应用41结论43致谢44参考文献451. 绪论1.1 绿色光源led的现状当前全球能源短缺的忧虑再度升

3、高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，led发光产品的应用正吸引着世人的目光，led作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以led为代表的新型照明光源时代。随着低碳经济的全面推动，绿色照明备受各国政府的重视。低碳经济就是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，其实质是能源效率和清洁能源结构问题，核心是能源技术创新和制度创新，目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展。根据美国能源信息局的报告，发电（大部分为照明应用提供电源）制造了37的温室气体。在我国，照明用电的电消耗约2000亿千瓦时，占年发电量的12%左右。实行绿色照明将减少用电量，从而降

4、低碳排放。所以，实现绿色照明符合低碳经济的发展。led是发光二极管的简称，具有节能、环保、耗电量少、寿命长、色彩丰富、耐震动、可控性强等特点，发光效率高且达到同样照明效果的功率低。在同等照明亮度的状况下，led灯比普通灯平均节电4050。为了在照明领域实现低碳经济，各国政府都提出和实施绿色照明工程。美国、日本、欧盟等国家和地区纷纷制定政策扶持led照明产业的发展。我国政府从1996年开始组织实施绿色照明工程，并将其列入“九五”、“十五”节能重点领域和“十一五”十大重点节能工程。2009年10月，又发布了半导体照明节能产业发展意见，旨在推动我国半导体照明节能产业健康有序发展，培育新的经济增长点及

5、促进节能减排，提出将开发和推广替代白炽灯、卤钨灯等节能效果显著、性价比高的半导体照明定型产品；开发和推广停车场、隧道、道路等性能要求高、照明时间长的功能性半导体照明定型产品；发展中大尺寸液晶显示背光源、汽车照明等增长潜力大的半导体照明产品；发展医疗、农业等特殊用途的半导体照明产品。许多城市已经利用led光源照明技术在城市灯光环境建设中,产生了良好的效果,像护栏照明、广场照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于led光源的显著优点和白光led技术的日臻成熟,led光源城市道路照明系统有着广阔的应用前景。对节省建设资金,缓减用电矛盾,构建节约型社会具有重大意义。 led灯具性能上的优势：（1

6、）节能，安全性高:led光源如果设计合理,很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题。所以灯具反射损失低,灯具整体光效高,如果采用pwm数字调光系统,更省电;目前白光led的发光效率约为80 lm/w,较传统高压钠灯可以节电50%60%。如果和太阳能系统直接配套,无需额外的逆变、转换过程,能达到最大的能源利用率。（2）低维护成本,安装维护简便:如果灯具整体设计合理,大功率led光源理论上可以正常使用10年不用更换,而传统高压钠灯平均1年半就要更换一次,所以可以大大降低维护成本。同时采用led路灯除了在单灯成本及最初安装的造价比高压钠灯高外,在铺设成本、耗电成本

7、及寿命方面均大大优于高压钠灯。由于驱动电流小、电缆、变压器和工程费用也相应的减少。（3）显色性佳,配光容易:led的显色指数高(7590),基本上接近自然光。光色可以人为控制,可以通过配光满足不同照明领域的需求。对光照射区域的光色均匀度可控,能够避免传统光源单调色的现象。（4）环保,便于管理:led光源无辐射,更不会造成光污染;使用寿命长,不需要经常进行更换,管理维护方便。现阶段led灯具性能上的缺陷：（1）发光效率较低,亮度不足,灯具的成本高:目前虽然试验室水平大功率白光led的发光效率已经超过了100 lm/w,但量产的、性价比高的大功率白光led发光效率还在80 lm/w左右,在灯具设计

8、中如果要提高整体的灯具亮度指标,势必要增加led的数量,从而增加灯具的成本。（2）地面对led光的反射率低:由于目前白光led光谱特征,路面及周边物体对其反射率低,特别是沥青路面,虽然地面的照度指标能达到要求,但路面的亮度较低,与钠灯的黄光相比,这是它的一个弱点。输出功率及光通量的提高要从大功率白光led的外延技术、芯片工艺等基础层次进一步提升。（3）当前技术下led的光通量还不够大,光效太低,色温不易控制,造成灯具的整体品质难以保证;灯具的稳定性,可靠性难以保证;有效光的照明角度偏小、分布不均匀,光学、散热设计复杂。总之，led是一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、和高强度放电（hid）灯（

9、如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。半导体照明（也称固态照明）既是一种基于led新型光源的固态照明，具体的讲，是一种基于白光led的固态照明，是一种典型的节能、环保绿色照明。led被公认为是21世纪最具发展前景的高新技术领域之一，由于其蕴藏着巨大的商机，正成为群雄逐鹿的新战场。1.2 论文主要研究的内容 由于led具有高效、节能及寿命长的优点，符合现在所提倡的节能减排、绿色低碳型经济，所以研究设计led路灯是有实际意义的。本文先是介绍了国家“十城万盏”led半导体照明工程及其施工进展情况，说明了国家对led照明发展的重视；然后，介绍了照明中所用到的光度学和色度学的基础知识，要设计出合理的路

10、灯，这些基础知识是必须要掌握的，其中光的基本度量，是评价led照明效果的重要参数；接着，讲述了目前led在各个领域中的应用，在汽车、道路照明等领域的应用中，led有非常明显的优势及很好的前景；然后描述了led的结构及发光原理，对led的3大特性进行了分析、研究。前面几章是研究和介绍led的基础知识和特性，后面3章是设计led路灯及散热分析，只有掌握了基础知识，才能设计出合格的路灯。对校园led路灯的设计、路灯的散热分析及仿真是本论文的重点。本文的路灯设计是针对我校路灯的实际情况来设计的，根据学校路目前路灯覆盖率、照明效果及路面情况来选取的基本参数，从而设计出符合校园要求的led路灯，和现在的高

11、压钠灯相比，led路灯更省电，照明效果更好；对路灯的散热，是用软件icepak进行模拟仿真，从整体到局部进行热分析，最后分析结果说明所设计的路灯散热效果良好。2. 国家“十城万盏”led半导体照明工程实施进展情况“十城万盏”半导体照明应用工程,是一项由科技部提出的计划,应用工程的总体目标是：到2010年,在1021个城市推广40万盏以上半导体市政照明 灯具 ,实现年节电6000万千瓦时,累计节电1亿千瓦时以上,半导体市政照明灯具产业规模达到80亿元,带动半导体照明相关产业产值超过1000亿元。对于工程试点城市,国家将在政策和资金上予以支持。2009年注定是中国led年,4月份国家科技部推出十城

12、万盏计划。7月24日,国家发改委与联合国开发计划署(undp)、全球环境基金(gef)合作的中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯项目签字仪式在北京举行。联合国秘书长潘基文、国家发改委副主任解振华、中国常驻联合国代表张业遂、财政部副部长李勇、联合国开发计划署(undp)中国首席代表马和励出席了签字仪式。这标志着中国绿色照明国际合作进入新的阶段。 其实,国家财政部早在2008年,开始实行的高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法已把led半导体照明产品列入补贴范围,随之相应配套的税费等政策相继出台。这是对一个产业空前的支持。由2008年北京奥运led的应用持续发烧,加上2010年上海世界博览会、广州

13、亚洲运动会和2011年深圳世界大学运动会即将陆续登场,所带动的大型led广告牌、建筑景观照明等应用商机,也是2012年led产业值得关注的热点。政府的支持,国家节能减排政策的带动将是持续发展的动力。led道路照明市场部分,除了国际展览、赛事的推波助澜外,各国政府大型采购和led路灯示范计划的实施,以及led路灯照明地方规范相继制定,预计2012年全球led路灯市场渗透率将突破1%,开始迈入快速增长期。 关于如何开展十城万盏led试点示范城市工作,科技部高新司对口业务处室原提出的实施方案初步设想是：通过以led在市政照明的应用示范工程为载体,选择10个城市推广应用led照明灯具(包括路灯、隧道灯

14、、地铁轻轨、加油站、地下停车场等功能照明灯具)1万盏以上。根据led产品的技术效能、应用的节能效果以及所获得的经济、社会效益,采取后补助的方式,进行补贴,但目前依然没有下达文件。 2009年5月初,中国科技部批准21个城市开展半导体照明应用工程试点工。全国21个试点城市为天津市、上海市、重庆市、石家庄市、保定市、大连市、哈尔滨市、扬州市、宁波市、杭州市、厦门市、福州市、南昌市、潍坊市、郑州市、西安市、武汉市、深圳市、东莞市、成都市、绵阳市。一些有基础的城市在很短的时间内就编制了推广计划,如天津市计划推广50万盏,扬州市计划5万盏,保定市计划3.8万盏,成都市计划1.5万盏,仅这四个城市计划的l

15、ed照明灯具就高达63万盏。21个城市按1万盏计算,自身就需要安装路灯、隧道灯21万盏,如果这21万盏一半是新安装(含灯杆),一半是更换(不含灯杆),平均以5000元1盏计算,就需资金10.5亿元人民币。实际需求远远超过这个数字,2009年中国大陆将需要140万盏,全球需240万盏,未来市场潜力之大可见一斑。甚至有人大胆预言;到2013年以后中国的led产值将达到1000亿美元以上,咱们暂且不论数字的多少,只是这个产业,只要是能够突破核心技术高端芯片研发瓶颈,我们的节能减排及建设绿色城市的目标是能够实现的。led是半导体照明的简称。它是以半导体芯片为材料的固态光源,依靠电子空穴复合发光,将电能

16、转换成光能的效率高达80%以上。在奥运场馆建中led技术作为自主创新的代表被广泛使用。据了解led的耗能仅为白炽灯的10%,荧光灯的30%;它采用固体封装,使用寿命可达5万小时,是白炽灯的100倍荧光灯的10倍,它无需使用玻璃真空封装,不产生毒副作用和汞污染。中国是世界第二大发电大国。2007年发电总量为32559亿千瓦时,年照明用电高达3900亿千瓦时,相当于英国一年的用电总量。上世纪90年代以来,节能灯的主要生产国都在本国大力普及使用,而我国产的节能灯却主要用于出口,国内的普及率不高。有数据显示,2003年中国节能灯的产量为10亿只,占世界销售市场份额的70%,国内只销售了3.5亿只。据专

17、家介绍,2007年以来,北美、澳大利亚均立法禁止使用白炽灯。2007年春季欧盟首脑会议达成协议,要求欧盟各国逐步淘汰白炽灯。记者在北京中数程通科技发展有限公司采访时了解到,浙江是全球最大的节能灯生产基地,产量约占全球生产量的50%,95%出口外销,节能灯生产大国很遗憾的却是应用小国。led作为比节能灯更先进的新光源,目前其产品基本上销往国外。据了解,在中国led产业已初步形成了较为完整的产业链。led产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后,目前已初步实现了自主生产芯片和外延片的生产加工能力。现阶段,从事该产业的人数高达50余万多人,研究机构20多家,企业4000多家。2006年,我国led

18、产业总产值达到105.5亿元,其中封装产业产值达87.5亿元。中国何时告别爱迪生时代，随着led国家标准的出台和国家的大力支持与推广应用,告别爱迪生时代已是指日可待,到那时人们将用上清洁环保、无光污染、无辐射和毒副作用的优质新光源。3. 光的照明基础知识3.1 光度学基础知识3.1.1 光的基本概念和理论 从物理学上说，光是一种电磁辐射。在整个电磁辐射波谱中，光波只占据很小的一部分（见图3-1）。光波的波长区间在380纳米与780纳米（nm，1nm=10-9m）之间。人眼所能看见的光称为可见光。 图3-1 电磁波谱在可见光中，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、橙光和

19、红光，其中红光波长最长。波长比可见光长的光学辐射称为红外辐射。波长范围在780nm1nm的红外辐射通常被细分为：近红外 ir-a，=7801400nm；中红外 ir-b，=1.43m; 远红外 ir-c，=3m1mm。波长比可见光短的光学辐射称为紫外辐射。波长范围在100400nm的紫外辐射通常被细分为:近紫外 uv-a，=315400nm；中紫外 uv-b，=280315nm; 远紫外 uv-c，=100m280nm。led也分为可见光led（=450780nm）和不可见光led（=8501550nm）两种。其中，不可见光led又分红外线led（=850950nm）和光通信led/ld（=1

20、3001550nm）。半导体led之所以能发出不同的光色，是因为他们的光色各异。例如使用aiingap材料制得的led波长可为590nm、611nm、625nm,所以可以发出黄光、橙光和红光。3.1.2 光的传播特性当光线在同一种介质中传播时，总是沿直线方向进行。当媒质发生改变时，光线或被反射，或被透射，或被吸收。同时还有光的色散、干涉、衍射和偏振现象。（1）光的反射当光线遇到不透明的物体表面时，大部分光背反射，小部分被吸收。光线在镜面和扩散面上的反射有以下几种类型。规则反射在光滑界面上所产生的光的反射称为规则反射，又称镜面反射，如图3-2所示。光的入射光线、反射光线和过入射点的界面发线都位于

21、同一个平面上，并且入射角等于反射角，反射光线和入射光线分别位于发线的两侧，这就是光的反射定律。散反射 当光线从某方向入射到经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板或毛面白漆涂层时，反射光向各个不同的方向散开，但其总方向是一致的，如图3-3所示，其光束的轴线方向仍遵守反射定律，这种光的反射称为散反射。漫反射光线从某方向入射到粗糙表面或涂有无光泽镀层的表层时，光线被分散在许多方向，在宏观上不存在规则反射，这种光的反射称为漫反射。当反射遵守朗伯（lamber）余弦定律时，即任意方向的光强i与该反射面的法线方向的光强i0所成的角度的余弦成比例（i=i0cos），而与光的入射方向无光，从反射面的各个方向看去

22、，光的亮度均相同，这种光的反射称为各向同性漫反射，如图3-4所示。 图3-2 规则反射 图3-3 散反射 图3-4 各向同性漫反射混合反射光线从某方向入射到瓷釉或带高度光泽的漆层上时，规则反射和漫反射皆存在，这种现象称为混合反射。在定向反射方向上的放光强度比其他方向上的要大得多，而且有最大亮度。其他方向上也有一定数量的反射光，而其亮度分布实不均匀的。（2）光的折射、全反射与透射折射光从第一种介质进入第二种介质时，若倾斜入射，这在入射面上有反射光，而进入第二种介质时有折射光，如图3-5所示。全反射当光线从高折射率的媒介（光密物质）射向敌折射率的媒质（光疏物质）时，入射角小于折射角。当入射角未达到

23、90时，折射角已达90。继续增大入射角，则光线全部返回到光密物质内，不再有折射光，这种现象称为全反射。光不再从光密物质进入光疏物质是的入射角称为临界入射角（a）。透射光入射到透明或半透明的材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，大部分的光可以透射过去。（3）光的吸收材料对光的吸收式光能转换为能量的其他形式时引起的。当一定波长的平行光束穿过均匀媒质时，光强的损失随距离（x）和波长有关的线吸收率（）呈指数式衰减即i(x)=i0exp-x ,其中i0为光束的初始光强。有些材料在可见范围内对不同波长的光有不同的吸收率，当光线通过这些材料时，其光谱分布会有所改变，因此这种材料科用来制造滤色片。3.1.3

24、 光的基本度量（1）光通量光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量，以表示，单位为流明(lm)。它是根据对标准观察者的作用导出的光度量。对于明视觉，若辐射体的光谱辐射通量为e（），其光通量的表达式为： = km 0de（）dv（）dt （3-1）式中：de（）/d为辐射通量的光谱分布；v（）为光谱光（视）效率；km为辐射的光谱光（视）效能的最大值（lmw-1），在单色辐射时，明视觉条件下的km值为6831w-1（当m=555nm时）；为光通量（lm，1lm=1cd1sr）。（2）放光强度i光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光强度（简称光强），以i表示。若在某微小立

25、体角d内的微小光通量为d（，），则该方向上的光强为i=dd（3-2）单位为坎德拉（cd），1cd=1lm1sr-1。坎德拉是国际单位制和我国法定单位制的基本单位之一，其他光度量单位都是由坎德拉导出的。1979年10月，第16届国际计量大会通过的坎德拉重新定义为：一个光源发出频率为5401012hz的单色辐射（对应于空气中的波长为555m的单色辐射），若在一定方向上的辐射强度为1/683wsr-1，则光源在改方向上的发光强度为1cd。（3）光照度e在被照物体表面上，单位面积内所接受的光通量称为光照度（简称照度）。光照度是表征表面被照明程度的量，以e表示，单位为勒克斯（lx），1lx=1lmm-2

26、。如微小面积ds上受到的光通量为d，则e为e=dds （3-3）照度的单位除了lx外，在北美地区还使用英尺烛光（fc），1fc=10.76lx。在工程上还曾经用过辐透（ph）、豪辐透（mph）等。各种照度单位的换算关系列于表1-1中，拱参考。表1-1各种照度单位换算表单位名称勒克斯1lx=1lmm-2辐透1ph=1lmcm-2英尺烛光1fc=1lmft-2勒克斯1lx=1lmm-210.000 10.092 9辐透1ph=1lmcm-210 0001929英尺烛光1fc=1lmft-210.760.001 0761lx的照度是比较小的，在此照度下只能大致地辨认周围物体。通常，满月夜晚的地面照度

27、约为0.2lx，白天采光良好的室内照度为100500lx，晴朗的室外太阳非直射下的地面照度为103104lx，而中午太阳直射下的地面照度可达105lx。在照明质量的量化标准中，一般推荐办公室的平均水平照度为5001000lx；在商业照明中，推荐的垂直照度平均值为300500lx。（4）光的射度m对于有一定表面积的发光体，在不同位置上的发光程度可能不同，因此需要用光出射度来表征。光出射度是指单位面积发出的光通量，以m表示，单位为lmm-2。若在发光体表面上任取的微小单元面积是da，发出的光通量为d，m则为：m=dda （3-4）光出射度主要针对面光源而言。这里所说的面光源还包含不发光的表面受到光

28、照后形成的二次发光面，其出射度为： 发射发光 m=e 透射发光 m=e式中：为被照面的反射系数（反射比），为被照面的透射系数（透射比），e为被照射的二次发光面的照度。照度和光出射度有类似的定义和相同的量纲，其区别在于照度表示受照面所接收到的光通量密度，而光出射度表示发光面所发出的光通量的表面密度。（5）亮度l光源在某一方向的光亮度（简称亮度）l（，）是光源在该方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量。如在微小的面积da和微小的立体角d 内的光通量 d（，），则亮度为： l=d2（，）d da cos （3-5） 式中，d2（，）为通过给定点的辐射束元传输的并包含给定方向立体角d 内传播的光

29、通量；da为包括给定点的辐射束截面积；为辐射束截面积与辐射束方向的夹角。该量的符号为l，单位为坎德拉每平方米（cdm-2=lmm-2sr-1）。（6）发光效率（光效）发光效率（光效）是指一个光源所发出的光通量与光源消耗的电功率p1之比。由于光源的电功率并不全部变成可见光，其中有相当一部分变成其他形式的能量。故 光效为： = p1 =km380780ev()dp1 （3-6）式中：的单位是lmw-1，即每瓦电力所发出的光的量，其数值越高表示光源的效率越高。在选择光源时，效率是一个重要的考虑因素。目前商用白光led的光效尚未达到荧光灯的水平，但早已超过白炽灯和卤钨灯。3.2 色度学基础知识各种光源

30、发出的光，由于光谱功率分布的差异与世间万物光谱反射率或透射率的不同，在日光下的3下呈现出五彩缤纷的各种不同的颜色。3.2.1 颜色（1）颜色的特性无彩色和彩色颜色可以分为无彩色和彩色。无彩色是指白色、黑色和各种深浅不同的灰色，把他们排列成一个系列即成为黑白系列，如图3-5所示。纯白是反射比等于1的理想的完全反射体，而纯黑e等于0的无反射的物体，它们在自然界中并不存在。接近纯白的有氧化镁，接近纯黑的有黑绒。黑白系列代表物体反射比的变化，在视觉上的表现为明度的变化。由于白色、黑色及灰色物体对光谱各波段光的反射是没有选择性的，故被称为中性色。图3-5 黑白系列彩色在知觉意义上是指有色调的知觉色，也就

31、是黑白系列以外的各种颜色。彩色有3个特性，即色调、明度和彩度。色调：亦称色相，表示不同波长的可见光在视觉上的属性，如红、黄、蓝等。光源的色调决定于辐射光谱组成对人眼所产生的感觉，而物体的色调决定于物体对光源的光谱辐射有选择的反射或透射对人眼所产生的感觉。明度：在同样的照度条件下、依据表现为白色或高透射比的表面的视亮度来判断某一表面的的视亮度。彩度：在同样的照明条件下，一个区域根据表现为白色或高透射比的区域的视亮度比例来判断的颜色的丰富程度。彩度也称为饱和度，表示彩色光在整个色觉（包括无彩色）中的纯洁度。可见光谱中的各种单色光是纯洁的，是最饱和的色彩，通常称为光谱色。无彩色的黑白系列只有明度的区

32、别，而没有色调和彩度的特性。例如，越接近白色，明度越高；越接近黑色，明度越低。因此，对于黑白系列，只有根据明度的差别来辨认物体；而对于彩色，可以从明度、色调和彩度上来辨认物体，从而大大提高人们识别物体的能力。颜色混合定律引起颜色刺激的不一定是单色光，而往往是复合光，既是各种波长辐射的总和。人们的视觉器官降不同波长的光线综合成一种颜色的感觉。这种综合过程符合格拉斯曼颜色混合定律。该颜色定律的主要内容如下：a.人的视觉只能分辨颜色的2种变化，即明度、彩度和色调的变化。b.在由两种成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，则混合色的外貌也随之连续变化。由此导出下述两条定理。补色律：每一种颜色都有一个

33、相应的补色。如果某一颜色与其补色以适当的比例混合，则可产生白色和灰色；如果两种按其他的比例混合，则产生近似比重大的颜色成分的非饱和色。中间色律：任何两种非补色混合时产生中间色，其色调取决于两种颜色的相当数量，其饱和度取决于两者在色调顺序上的远近。c.颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否相同，在颜色混合中具有相同的效果。也就是说，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。由此导出颜色的替代律：相近颜色混合后仍相似。根据颜色替代定律，可以利用颜色混合方法莱产生或代替各种所需要的颜色。d.由各种颜色的光组成的混合光总亮度等于组成混合光的各种颜色光的亮度的总和，这一定律称为亮度相加定律。上述颜色混合定律适

34、合于各种颜色光的相加混合，而不适合于染料或涂料的混合。因为各种颜色光的混合（或称加色法混合）是由于不同颜色的光引起眼睛的同时兴奋；而染料或涂料的混合称为减色法混合，这种混合所得到的颜色是由于不同波长的光在所混合的染料或涂料微粒中被逐渐吸收而产生的。图3-6 颜色环图3-6颜色环颜色及其混合规律可以用颜色环示意。例如，把颜色饱和度最高的光谱色加上紫红色，然后依照波长顺序就可围成一个圆环，称之为颜色环，如图3-6所示。白色位于圆环中心。当两种颜色混合时，混合色在圆环中的位置取决于两种颜色成分的比例，并且靠近比重大的那种颜色。凡是两种颜色混合时产生白色和灰色的，那么这两种颜色称为互补色，。关于颜色环

35、中心对称的颜色都是互补色。例如，黄和蓝是一对互补色，红和绿是一对互补色，等等。因此，当一对互补色按各种比例混合后，所产生的颜色就位于连续互补色的直线上，呈白色或各种非饱和色。颜色换上任何两个非互补色相混合后，可以得到两色中间的混合色，并位于两色相连的直线上，其色调取决于两颜色的比例。（2）表色系统人们用两种系统来表示光源和物体的不同颜色。孟塞尔（munsell）系统孟塞尔系统是a.h.孟塞尔根据颜色的视觉特点制定的颜色分类和标定系统。它用一个类似球体的模型，把各种表面色的3种基本特性：色调h、明度v、彩度（饱和度）c全部表示出来。立体模型中的每一部位都代表一种特定的颜色，并都有一个标号。 ci

36、e表色系统与用分光仪器将白色光散成许多单色光相反，人们也试图用几种单色光相混合以得到所要求的颜色光，并获得成功。混色实验发现，所有颜色的光都可以由某3种单色光按一定的比例混合而成。这3种单色光中的任何一种都不能由其余两种混合产生。这3种单色光称为三原色。1931年cie规定的rgb系统的三原色光波长分别为r=700.0nm，g=546.1nm和b=435.8nm的红光（r）、绿光（g）和蓝光（b）。但采用rgb系统时发现，在某些情况下，有些凉出现负值，给计算带来很大不便。所以，1931年cie又规定了一个新的系统，既是cie xyz系统。3.2.2 与颜色有关的照明参量（1）色温与相关色温色温

37、是光源颜色的一种表色方法。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下的颜色相同时，这一黑体的温度称为光源的颜色温度tc，简称色温（ct），用热力学温度表色，单位为k（开尔文）。不同温度黑体的光色变化在色度图上形成一个弧形轨迹，被称为黑体轨迹。热辐射光源（如白炽灯、卤钨灯等）的颜色变化基本上与黑体轨迹相符。对于一其他形式发光的光源，其发光不一定落在黑体轨迹上。在此情况下，只能用相关色温来表示。若光源发出的光与黑体在某一温度下的颜色最接近，则黑体此时的温度称为该光源的相关色温。通常，色温高的光源的颜色偏蓝，色温低的光源的颜色偏红。光色偏蓝的称为冷（或冷光），光源的颜色偏红的称之为暖色，介于冷色和暖色

38、之间的光色称之为中间色。（2）显色性照明光源除了用色温表示其自身的颜色（即色表）外，还用显色性作为另一个常用的评价指标。显色性是指光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度。显色性高的光源对颜色的表现较好，所看到的颜色就接近自然原色；显色性低的光源对颜色的表现较差，所看到的颜色偏差也较大。可见光的波长在380780nm的范围内，也就是我们在光谱中看到的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的范围。如果光源发出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，则人眼所看到的颜色也就较为逼真。显色性好的光源（如白炽灯），其光谱分布能覆盖大部分见光的区域。再好的装潢、摆设、艺术品和衣物等，有时也会因所选

39、择的光源不当而失色。一般人工照明光源用显色指数ra作为显色性的评价指标。ra值的范围为0100ra值越高，光源的显色性就越好。一般认为ra=80100，光源的显色性优良；ra=5079，光源的显色性一般；ra50，光源的显色性较差。对于颜色辨别要求高的场合，如摄影棚、体育馆和印刷行业，需要使用高显色指数的光源，如白炽灯、卤钨灯等、它们的显色指数ra都达到85以上。4. led在各个领域中的应用4.1 led汽车照明（1）汽车照明的发展历程汽车照明的光源经历了极大的发展。20世纪60年代卤钨灯的发明给光源的光效和寿命带来了一场革命，这种灯光效在2025lm/w,寿命在200300h。20世界70

40、年代，卤钨灯大规模代替了白炽灯用于汽车照明，至今任然占据汽车前照灯的统治地位。之后再20世纪90年代，氙灯逐渐走入了人们的视野，其光效达到90lm/w，启动速度更短，寿命也比卤钨灯长许多，达3000h，其近似电光源的特性也使灯具设计更容易，光利用效率更高。20世纪60年代后，led这种新型光源的出现时人们对汽车照明系统的发展看到了新的曙光。鉴于led寿命长、启动时间短、环保及工作电压低的特点，现在led用于汽车上最普遍的要数车内仪表板、操作开关、阅读灯、示宽灯、牌照灯、等低照度灯饰。对于车外照明知道1985年led信号灯才被用于客车上。1986年nissan 300zx型车上的高位刹车灯（ch

41、msl）运用了72个5mm的led，这标志着led逐步进入了汽车照明工业的核心。1998年白光led的发明，人们看到将led用于汽车前照灯的可能性。多年内，以led为前照灯的概念层出不穷，知道2008年第一款以led作为近/远光灯的凯迪拉克escalade platinum 量产车的出现才宣布led作为主流前照灯光源的开始。目前有雷克萨斯ls600hl、08款奥迪r8等多款车主打led为前照灯。但是只限于这些高档豪华车型，led前照灯走向中低端车型需要很长一段时间。2006年，国际上汽车用led的产值到到6.3亿美元，占总体led用量的15%。在200年之前，led最大的应用亮点是手机，其在全

42、球所占的份额达52%。2005年之后，手机趋于饱和，取而代之的是汽车、交通灯、景观照明和一般照明。汽车产业在全球经济中仍然是一支产业。目前我国的汽车年产能达800多万辆，已超过德国，产量位居世界第三。规模如此之大的汽车产业，拉动了汽车灯具的发展，同时为led在汽车上的应用提供了广阔的市场空间。按目前led的技术水平，一辆汽车需要300多个led，其需求量非常之大。未来几年我国车灯将会有较大的发展，形成超过10亿元的年产值。（2）汽车车灯分类一架具有标准照明系统的汽车车身内外的灯具大大小小有十余种，若按用途来分，可分为照明灯和信号灯两类。照明灯犹如汽车的“眼睛”，在黑暗中照明汽车行驶方向上的道路

43、，延伸和拓宽驾驶员的视野。信号灯如同汽车的“嘴巴”，车辆可通过灯光信号同其他车辆进行“语言”交流，向其他汽车司机明示本车的存在及其行使的状态，以使汽车在道路上能够安全快捷行驶。照明灯又分为车外照明灯和车内照明灯。车外照明灯包括远/近光灯、前雾灯和车牌灯等；车内照明灯主要是仪表和阅读灯等。信号灯也分车外信号和车内信号灯。车外信号灯是只侧/后转指示灯、（高位）刹车灯、后雾灯、示宽灯、倒车灯等。车内信号灯泛指仪表板指示灯，主要有转向、机油压力。充电。关门提示及音响、空调等指示灯。在这些车灯中，属于强制性检验的有车外照明灯和车外信号灯，因为它们是行车安全的关键部件。（3）led在汽车照明的优势所在增进

44、安全：led信号灯启动比白炽灯光源更迅速。对于时速为62mile（1mile=1609.344m）的车来说，led的反应时间可以缩短200ms，相当于减少19ft（1ft=0.3048m）的停车距离。另外led灯工作在比较安全的低电压，相对其他竞争光源是个优点。服务寿命超过汽车寿命：可以说led车灯无需更换，驾驶者不必担心刹车灯失灵；并且led的工作寿命随着技术的突破和进展将不断增强。耐久：led器件的光生产机构使它抗振动和冲击，使其成为汽车和卡车尾灯、桥灯和航行器灯的理想光源；而热灯丝白炽灯遭受振动和冲击时发光易失效。节省空间：因为led灯具可以做的薄一些，或可减少灯具的深度，这对于信号功能

45、灯而言是个直接优点，而对于近光灯和远光灯是个间接优点。无污染和低能耗：led不包含水银，而且能耗低。一般做近光灯用的白炽灯能耗超过150w，而用三个标准1w led代替，即使包括控制单元用点在内，每一个led灯仅消耗45w，或每辆车仅消耗10w。日光色：对于vw车型该优点立刻能体现，与卤钨灯或氙灯相比，白光led的光束更接近日光，这对驾驶员是非常舒服的，尤其对远光灯更是如此。如果用led作位置灯或drl灯（日间行驶灯）并与氙灯组件组合在一起，则比卤钨灯和单独氙灯更好。提高能见度:用led灯作光源可以是汽车在弯路和十字路口获得理想照明。用led作高速公路灯光增进了司机在高速公路上的能见度，可照到

46、车前30m远。光控：led汽车前大灯能集中所有光直接朝向车前的路面而不使迎面驶来的司机感到晃眼。这是因为led的灯光可以通过聚焦透镜进行控制，让它射向所需要的方向。智能光功能：可实现像动态转角灯那样的智能光功能。因为led是半导体，它可以快速调光或者快速开关。一般led灯是用3035个芯片的多芯片阵列，没个芯片可以寻址，由开或关的不同组合可以产生不同光分配，在20102012年内将可以实现这方面的应用。4.2 led道理隧道照明 （1）道路照明的现状道路照明时随着人们生活水平不断提高而发展的。只有当人们有在夜晚出行的需求，才出现了道路照明。同时，人们对于道路照明的要求也随着时代的发展而不断提高

47、，从而要求照亮路面帮助人们察觉道路情况，到帮助人们识别道路上的障碍物还是行人，再到帮助驾驶员辨认行人的特征。由于道路照明的特征情况，即需长时间工作、悬挂高度高、不宜频繁更换等，一般目前所使用的光源都具有光效较高、寿命较长的特点，例如高压钠灯、金卤灯、无极灯等。在目前技术较为成熟的光源中，高压钠灯的光效最高，一般可达到100120lm/w，使用高压钠灯作为道路照明的光源，能耗较低。而无极灯，由于其依靠电磁感应而发光，对于悬挂高度较高、不宜频繁更换的道路照明灯具而言，其寿命毫无疑问是其最大的优势。当然，高压钠灯和无极灯应用于道路照明也都有其各自的缺陷。高压钠灯在所有的光源中，较差的显色性使其作为道

48、路照明的一大硬伤。使用高压钠灯作为道路照明，仅仅能帮助驾驶员察觉道路情况，或者辨识道路障碍物，要想帮助其迅速分辨行人特征有较大的困难。而无极灯的技术尚不成熟，其光效以及配光仍然是制约其作为道路照明主流光源的一大阻碍。目前道路灯具中普遍采用的hid光源是高压钠灯或金属卤化物灯，这两种混光源的最大特点是，发光的电弧管尺寸小，由尺寸很小的电弧管产生很大的光输出，并且具有很高的光效，前者包括配套电器，可达1101lm/w，后者包括配套电器可达801lm/w。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%左右的光是直接透过玻璃罩到达路面的，其他的光是通过灯具反射器再投射出灯具的。目前普遍采用此类光源的传统灯具

49、基本上都存在两个不足，一是灯具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可达50lx以上，这一区域属于明显的过度照明，而两个灯具的光照度交叉处的照度仅为灯下照度的20%40%。二是此类灯具的反射器的效率一般仅为50%60%，所以有60%左右的光输出在灯具内，是在损失了30%40%后再投射到路面上的。此类灯具的总体效率一般都在70%左右，并且上述的过度照明也属于浪费。综合分析上述的传统的道路灯具，其综合的有效照明效率（扣除过度照明部分）仅为50%。也因为上述原因，目前我国次干道的照明效果（路面照度和照度的均与度）基本都达不到cjj45-2006和cie31以及cie115标准的要求。而随着led技术的

50、日趋成熟，目前市场上已经量产的1w大功率白光led光源的光效已经达到了100lm/w。在实验室的研究水平，最高光效达到了160lm/w。而且led的定向发光特性使其容易实现较为理想的的配光，并提高灯具效率和灯具利用系数。在道路照明上led逐渐显露出吸引力和竞争力。据2006年国家路灯行业统计，我国城市道路照明共有1500万只以上的路灯，近几年的增长率在20%以上。照此估算，全国每年照明路灯的市场规模不低于50亿元，如使用led路灯，每年可节电20亿度以上。目前中国整个道路照明市场高压钠灯占据了60%以上的份额，而在一些社区道路及乡村道路等场所的照明光源主要为节能灯（cfl），约占20%，而汞灯

51、和白炽灯灯光源正逐渐被淘汰。随着led技术的发展和成熟，led路灯的应用将会越来越广。中国内地在“十城万盏”等政策带动下，将深圳、重庆、成都、天津、绵阳、郑州等21个大中型城市列为核准城市。推动led闸门应用示范工程。此外，各国和地区政府也积极推动led路灯，例如美国洛杉矶也计划5年内设置14万盏led路灯，中国台湾地区表示三年内更换128万盏led路灯，在政策支持下，今年全球led路灯需求增至250万盏，年增长率高达178%。（2）led在道路照明应用中的优势光效高、能耗低在道路照明上，高压钠灯因为其光效可达到120lm/w而占主导地位，但随着led光效的不断提高，高压钠灯的垄断地位岌岌可危

52、，及其在次干道灯需要150w led路灯一下的应用场合，led已经体现出了明显的节能优势。led照明产品崛起的重要原因之一，就是led的光效已经超过大部分传统光源，并且绝对有可能在不久的将来明显高于所有的传统光源。led的光效理论计算可以达到270290lm/w或更高，这是传统光源无法比拟的。2007年2月，美国lumileds宣布，研制出色温为4685k的白光led光效可达115lm/w。2008年7月，德国的osram宣布，将大功率白光led在350ma驱动电流条件下的光效刷新到了136lm/w（光通量为155lm）。到了2009年初，cree，osram相继宣布了在实验室水平大功率白光l

53、ed的光效达到160lm/w。虽然针对led的测试标准尚未正式出台，对如此高的光效还有争议，但毫无疑问，led的光效已经远远超过白炽灯，也逐步逼近直管荧光灯、紧凑型荧光灯及高压钠灯等传统光源。传统的高压钠灯等传统路灯使用的光源一般向整个空间发光，但道路照明需要照亮的只有行车里面和行人路面，因此灯具光学设计要尽可能的时光均匀并集中地投射到路面上。因而在设计照明灯具时，通常要用曲面反射器来收集光线，使之向所需要的方向照射。采用led光源，由于具有良好的方向性，基本为单面发光，所以在采用二次光学透镜时，灯具出光效率可达85%左右，如果采用一次光学透镜，其灯具出光效率更可高达90%以上。另外，由于le

54、d驱动技术的日益成熟，其调光技术可以进一步降低led路灯的功耗，而且led的调光技术不会对led寿命和光效造成影响。作为占总照明用电量约为15%20%的道路照明而言，如果能够大规模推行led路灯，毫无疑问可以很大程度降低道路照明的用电，从而缓解目前全球的能源危机。瞬时启动气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，一般要几十秒至几十分的时间，这是由于气体放电光源本身的特性决定的。而白炽灯是热辐射光源，给人的感觉就是一点就亮，但实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间。而led的响应时间只有几十纳秒，另外气体放电光源在关闭后需要等待一段时间，光源冷却后方可重新启动。而led具有瞬时启动的特点，通电即可

55、正常稳定工作，同时也不存在再次启动的等待时间。寿命长寿命长段将直接影响整个道理照明的维护成本。一般高压钠灯的寿命在20000h左右，即便osram生产的violox nav高压钠灯其最高寿命也只能达到32000h。一般我们所使用的道路照明的高压钠灯，寿命仅为5000h。相比直线，led在保证一定工作电流和散热条件下，一般寿命可以达到5000070000h，其寿命上的优势是任何传统光源无法相比的。而且高压钠灯平均寿命指一批受试灯泡点燃至50%数量损坏时的时间，而led的平均寿命被定义为一批受试样品点燃至50%数量的光衰大于70%的时间。显色性好使用钠灯作为照明主要光源的主要原因是因为其光效较高，

56、但是高压钠灯的致命缺点就是显色性，一般其显色指数仅为20左右，在光源中属于最低的。其较差的显色性只能帮助道路照明使用者察觉道路情况，并不能帮助他们清晰辨别。而led对颜色的呈现更真实更能够反映物体本身的颜色。便于调光控制led灯具可实现0100%连续调光，可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出，在保证照明质量的同时降低不必要的功耗。采用传统钠灯及金卤灯的路灯，一般只能实现小范围的调光控制，应用中不可避免地受到其最低工作电压的局限性。结构牢固led是用环氧树脂、硅树脂灯封装的半导体发光的固体光源，其结构不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件，是一种实心的全固体结构，因此能够经得住震动、冲击而不致引起损坏，特别适合在道路、隧道和汽车照明中应用。总成本目前led灯具的成本相比传统光源较高，但是其高光效、长寿命等特点显著减少了其灯具的维护成本，而随着led初成本的进一步降低，其在总成本上的优势也将进一步明显。4.3 led在其