光电器件及其应用课程设计报告

1、吉林建筑大学电气与电子信息工程学院光电器件及其应用课程设计报告设计题目：Led 在大学教室照明应用及节能效益分析专业班级：信科 121学生姓名:学 号指导教师：张玉红王超设计时间：2015629 - 2015.7.3教师评语：成绩评阅教师日期目录第 1 章 前言.1第 2 章 LED 发光原理.32.1LED 的结构及发光原理.32.2LED 光源特点.42.3LED 应用.5第 3 章 教学楼教室的照明现状分析与计算.63.1教学楼教室照明现状.63.2计算原理.73.3计算分析.7第 4 章采用 LED 照明的节能分析和计算.84.1LED 基本信息.84.2计算分析.10第 5 章 总结

2、.13参考文献.14第一章 前言随着产业的发展， 我国的电光源产品种类得到快速发展， 普通白炽灯、 卤素 灯、直管荧光灯、紧凑型节能灯、高压气体放电灯、汽车灯、LED 光源及各类特 种光源应有尽有，白炽灯、 卤素灯、直管荧光灯及紧凑型节能灯产量更是在世界 名列前茅， 技术水平也达到国际先进水平。 照明灯具企业在近年来也得到快速发 展，形成了一批有品牌、有规模的照明灯具生产企业。1999 年到 2009 年作为中国照明产业快速成长的黄金十年，产业规模得到 最大化扩张，到 2010 年，全国照明行业企业有一万多家（照明电器生产企业 5,000 多家，灯具生产企业约 3,000 家，电光源企业约 1

3、,000 家，其余为电器 附件、局。 LED 市场的主要市场竞争者为欧司朗、日亚、科锐、飞利浦、三星、 松下、首尔 半导体、亿光电子、 LG 和丰田，他们垄断了高端产品市场，他们利 用其在新产品和新技术领域中的创新优势， 主要从事高附加价值产品的生产。除 飞利浦与欧司朗一直专注于照明行业，LED 照明市场的其他竞争者从照明市场或 LED 的细分市场进入整个照明市场，如三星与 LG 从 LED 显示屏进入 LED 照明市 场，而一些包括鸿海在内的半导体制造工厂也进行扩张进入 LED 照明市场，参 与市场竞争。我国的照明工程建设和设计体制尚不健全，照明设计师的社会地位也有待提 高。现在已有不少专业

4、的照明设计师借鉴外国经验， 独立开办照明设计咨询公司， 力图摆脱照明产品和照明工程利益的影响， 专心致力于照明设计精品的创作， 这 有利于照明事业的发展。虽然目前中国照明设计行业确实是存在很多问题， 但只 要针对这些问题有的放矢，一一解决，未来一定可以走得更远。除了工程建设和设计体制尚未健全之外， 国内目前对这方面的教育体系也不 尽如人意。 照明设计行业目前很不规范， 没有权威的职业认证， 没有系统的教育 体系，这是最突出的问题。没有权威的职业认证，导致从业人员良莠不齐，鱼龙 混杂，不仅不利于设计师自身发展， 给客户也带来了很大的困扰。 没有系统的教 育体系，直接影响到从业人员的职业素养问题。

5、目前中国虽然被称为“世界工厂”，能够生产出很多的产品，但好的设计并 不体现在数量上，而是体现在品质、技术水平上的。据统计，目前照明行业产值 占建筑装饰行业总产值的 10%左右。 纵观目前国内的情况， 室外城市景观照明大 部分由照明工程公司来做，室内大部分则由照明灯具销售方来做， 这样的情况往 往会带来一些弊病，例如导致照明设计有所偏离，不是根据实际需要而去设计。国外的情况则不一样，他们的照明设计是独立的。实际上专业照明设计师是为业 主服务的， 为装饰设计师服务的， 他们考虑的是应该只是有怎样的效果， 应该用 什么档次的灯，应该用什么特点的灯，这样才能不断保证照明设计水平的提高。 所以国内外的差

6、距，既有技术方面的原因，也有目前国内体制方面的原因。国外照明设计行业发展要早于中国很多年， 因此市场相对成熟和稳定。 国外 的照明设计较之中国，水平更高，技术更全面，操作更规范，这就保证了最终的 设计质量。照明设计在国外能得到很多业主和建筑师、 室内设计师的认同与重视， 因此照明设计师具有合理的话语权和能够被给予足够的尊重，这保证了设计师的 想法和意见能够得到贯彻和实施。总体来说，我国照明设计行业前景还是非常广阔的。设计师要适当学习与借 鉴，针对实际问题找出根源，结合所学理论，从根源上缩短差距。研究数据显示，2010 年全球 LED 照明应用产品市场规模为 40.0 亿美元，同 比增长40.4

7、%,增长迅速。预计 2014 年，全球 LED 照明应用产品市场规模将达 到 625.0 亿美元，为 2010 年的 15 倍，年复合增长率达到 73.3%。“十二五”期间，LED 光源技术被我国列入战略性新兴产业。权威数据显示， 2010年我国 LED 产值规模为 1260 亿元，2011 年预计将有 50%勺增长，达到 1800 亿元左右，LED 行业的投资规模将达到 650 亿元。不少厂家开始专注于 LED 照明 产品勺生产，也有许多传统照明企业走上了转型之路。更为值得关注勺是，非 LED 企业跨入 LED 行业所进行的投资已经成为 LED 产业获得投资的重要部分，此 类项目占全部投资项

8、目的比例超过 45%，金额超过全部投资金额的 65%。在一系列的数字背后，是产业界和政策方携手推动市场繁荣的动力，未来LED 照明产业的蓬勃发展已然势不可挡。业内专家分析，相对于传统灯饰产品而 言，在未来一定时期，LED 产业发展格局将保持平稳，仍以渠道为主，这是整个 灯饰行业发展的必然趋势。 当一个行业发展到一定阶段， 洗牌是行业提升的必经 过程。对于一个企业来说也如此， 发展到一定规模的企业再往上走就会遇到各种 各样的瓶颈，亟待突破的瓶颈包括产品门类、规格、价格、品牌、营销模式、渠 道建设等。表面上，LED 照明产业发展得热火朝天，然而，繁荣背后的隐忧，也随之浮 出水面。作为世界最大的照明

9、市场，我国 LED 上中游技术环节薄弱成为了一块硬 伤。2010 年高亮度 LED 市场回顾与展望报告中指出，2010 年中国 LED 制造 商占全球高亮度 LED 市场总产值仅 2%勺比例，且相关技术仍落后国际大厂约三 到五年。我国 LED 芯片及器件产品大多集中在小功率、中低档领域。国产芯片尽 管售价仅为进口芯片的 1/10，但占国内市场不足 10%。除此之外，高亮度功率型 LED 芯片、器件 80%上均依赖进口。外延生产用关键设备 MOCVD 外延片衬底、 封装用的高性能硅胶、环氧树脂、荧光粉等原材料基本也要依靠进口。在整个产业链中，上游的利润回报最高。而上游的核心专利技术集中在日 本

10、Nichia（日亚）、Cree（美国科锐）、Osram（德国欧司朗）等为数不多的海外巨头 手中。在外延片和芯片领域， 美国和日本企业也处于垄断优势， 拿走了 60%以上 的利润。大部分中国 LED 企业，只能在产业链末端的封装领域，争夺余下不到40%勺利润，大量 LED 企业依靠政府市政工程生存，凭借补贴盈利。目前，LED 照明在城市照明建设、照明装饰酒店等领域越来越普及。LED 的发展步伐虽然明显加快， 但由于缺乏相关勺标准规范， 有专家担心其市场会因为 产品的质量问题而变得混乱。另据相关媒体报道，有个别地方的 LED 装饰灯因为 光衰严重，已被拆卸。此外，价格也一度是企业“卖” LED 照

11、明时最头疼的问题。在某灯具批发城，一位经销商向记者介绍，“我们一般都不爱卖 LED 灯。因为 LED 的价格实在和节 能灯、白炽灯差距太大了。比如，3W 勺勺 LED 灯售价 20 元，7W 的就要 90 元，而 节能灯只要 10 元左右，白炽灯更只需要 1 元钱; 且在寻常百姓看来，一盏两盏 LED 灯的节能效果实在无关紧要。”第二章 LED 发光原理(2)LED 的结构及发光原理50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极 管产生于I960 年。LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料， 置

12、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，所以 LED 的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型半 导体和 n型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结 中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出 来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故 不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED 当它 处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），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

13、色的光线，光的强弱与电流有关。二极管应用 二极管是半导体设备中的一种最常见的器件 , 大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成 （原子和其它物质 ）发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼 , 在纯铝 砷化稼中 ,所有的原子都完美的与它们的邻居结合 ,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中，额外的原子改变电平衡， 不是增加自由电子就是创造电子可以通 过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。 带额外电子的半导体叫做 N 型半导体，由于它带有额外负电粒子，所以在 N 型半导体材料中，自由电子是 从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做 P 型半导体，由 于带有正电粒子。 电子可以从另

14、一个电子空穴跳向另一个电子空穴， 从从负电区 域向正电区域流动。因此，电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N型半导体物质与 P 型半导体物质结合， 每端都带电子。 这样排列使电流只能从一 个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N型半导体流向 P 型半导体， 从而形成一个损耗区。 在损耗区中， 半导体物质会回 复到它原来的绝缘状态 - 所有的这些“电子空穴” 都会被填满，所有就没有自由 电子或电子真空区和电流不能流动。发光原理光是能量的一种形式，一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但 没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子，是光

15、的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。 在原子中， 电子在原子的四周围以轨道形式移 动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。通常来说，有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。 当电子从一个更低 的轨道跳到一个更高的轨道， 能量水平就增高， 反过来， 当从更高轨函数跌落到 更低的轨函数里时电子就会释放能量。 能量是以光子形式释放出来的。 更高能量 下降释放更高能量的光子，它的特点在于它的高频率。自由电子从 P 型层通过二极管落入空的电子空穴。 这包含从传导带跌落到一 个更低的轨函数， 所以电子就是以光子形式释放能量。 这在任何二极管里都会发 生的，当二极管是由某种物质组成的时候， 你只是可

16、以看见光子。 在标准硅二极 管的原子，比如说，当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果，由于电子频率这么低的情况下人的眼睛是无法看得到的。可见光发光二极管，比如用在数字显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的 频率，换句话说就是决定了光的色彩。 当所有二极管都发出光时， 大多数都不是 很有效的。 在普通二极管里， 半导体材料本身吸引大量的光能而结束。 发光二极 管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。LED 光源特点ft YaHei 电压：LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同而异，所以它是一个 比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。ft YaH

17、ei 效能： 消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。ft YaHei 适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制备成各种形状的器件， 并且适合于易变的环境。ft YaHei 稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50%。ft YaHei 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级。ft YaHei 对环境污染： 无有害金属汞。ft YaHei 颜色： 改变电流可以变色， 发光二极管方便地通过化学修饰方法， 调整材料的能带结构 和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED 随着电流的增加， 可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 L

18、ED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯， 几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。2.2 LED 应用显示屏、交通讯号显示光源的应用 LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、 省电和寿命长等特点， 广泛应用于各种室内、 户外显示屏， 分为全色、 双色和单 色显示屏， 全国共有 100多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、 绿、黄色 LED 因为采用 LED 信号灯既节能，可靠性又高。汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光 源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易

19、损坏、寿命短，需要经常更换。1987 年，我国开始在汽车上安装 LED 高 位刹车灯。由于 LED 响应速度快，可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故。LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED 作为 LCD 背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、 手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED 背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、 低功耗和均匀一致方面发展。 LED 是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10 只 LED 器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约 20 只 LED 器件。L

20、ED 照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个med适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。随着 LED 散热技术的改进，LED 光源替代白炽灯和荧光灯甚至是碘钨灯、高压钠灯等 大功率光源的替代趋势已从局部应用领域开始发展。其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的 LED 会闪烁发光，仅 温州地区一年要用 5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指 示灯，据国内正在投产的制造商介绍，该 LED 灯具（5 张）公司已有少量保健牙刷 上市，预计批量生产时每年需要 3 亿只发光灯；正在流行的 LED 圣诞灯，由于 造型新颖、色彩丰富、

21、 不易碎破以及低压使用的安全性， 近期在香港等东南亚地 区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。家用室内照明的 LED 产品越来受人欢迎，LED 筒灯，LED 天花灯，LED 日光灯。 7.led广告宣传车，由 LED 屏作为信息输出设备，移动车身作为重体的广告设备， 自身可以变换位置， 一般自带发电机、 音响、电脑等设备， 属于广告车中的一种。第三章 教学楼教室的照明现状分析与计算教学楼教室照明现状走访教学楼 C 区教室，取 10 个小教室观察。教学楼 C 区小教室内采用格栅灯， 教室面积大约在 40m20采用格栅灯信息教室内采用 3X20W 隔栅灯共 16 套。

22、格栅灯:一种照明灯具，适合安装在有吊顶的写字间0光源一般是日光灯管0分 为嵌入式和吸顶式0底盘采用优质冷轧板， 表面采用磷化喷塑工艺处理， 防腐性 能好，不易磨损、褪色0所有塑料配件均采用阻燃材料0产品将电子与电感镇流器完美整合，借助高功率因数、低功耗优质电子镇流 器的强力支持采用国际最先进的稀土三基色荧光光源， 由光学研究实验室为该产 品进行照明参数的精确配比，使其光效得以提高20%以上，省电高达 35%-50%以上，并具备了更长的使用寿命、更便捷的安装方式等特性0并具有如下特点（1 ）节省电：节电率为 45-75%，降低照明用电的总电量0（2）电流低：电流减少了 70%，提高了贵公司照明线

23、路的安全性0（3） 光色好：光色柔和显色性好、不失真0（4） 温度低：温度低并且恒温，避免事故发生率，有效为空调节能0（5） 无闪烁：产品可在 160V-250V 电压下正常工作，不闪烁保护眼睛0（6） 无噪音：启动和工作时没有噪音，提供安静的环境0光照强度是指光照的强弱 ,以单位面积上所接受可见光的能量来量度0简称照度，单位勒克斯（Lux 或 Lx）。被光均匀照射的物体，在 1 平方米面积上所得 的光通量是 1 流明时， 它的照度是 1 勒克斯0流明是光通量的单位0发光强度为1 烛光的点光源，在单位立体角（ 1 球面度）内发出的光通量为“ 1 流明”0计算原理平均照度（Eav）=光源总光通量

24、（NX）X利用系数*维护系数/区域面积（m2）（适用于室内或体育场的照明计算 ）利用系数（CU）: 般室内取 0.4，体育取 0.3 ;维护系数（MF）: 般取 0.70.8 ;计算分析一间教室室内照明：40 平米房间，使用 3X20W 隔栅灯 16 套平均照度=NXXCUX MF/面积=（2500X3X16）X0.4X0.8 -40 =960Lux一间教室的平均照度大约在 1000Lux 左右。照度分布图光束角140度图1格栅灯照度图教室内格栅灯分布图图2教室内格栅灯分布图图 2 中教室为 5X8 平方米，图中 1 为窗户，2 为黑板，3 为门，4 为 3X20W 格 栅灯共 16套。( 1

25、 )市场价格平均每盏灯 55 人民币，一个教室为 1 6 盏，本次采样估计取 10 个教室。灯的购买价格 =55X16X10=8800 RMB(2) 20W 节能灯 1 度电可以照 50 小时，所以 1 小时是 0.02 度 假设一个教室只有早 7 点到晚 9 点照明，一天共 14 小时在照明。 一间教室的用电量 =0.02X14X3X16=13.44 kwh10 间教室的用电量 =13.44X10=134.4 kwh一度电为 0.6 元，所以一天 10 间教室支出电费为 134.4X0.6=80.64 RMB第四章 采用 LED 照明的节能分析和计算LED 基本信息假设用飞利浦 8-20W/

26、LED 灯管。此 LED 灯规格如下： 类型：LED 紫光灯供电电压： 220V功率： 20W光通量： 1800LM寿命： 30000H颜色： 6500/4000/3000K套管材质： PCLED 颜色：6500/4000/3000K用途：照明 工业型号： Essential LED T8 灯管外径尺寸： T8mm 灯光颜色：白 材质： QT 封装工艺：集成式色温： 3000/4000/6500K 产品说明：Essential LED T8 灯管是飞利浦 LED 光源产品线中一款高性价比产品，采用前 沿 LED 芯片与技术，与传充 T8 荧光灯系列比较，可节能 50%以上，且双倍于荧 光灯寿命

27、，大幅降低维护成本，其光线舒适自然，提升客户绿色环保形象。 产品特点：（1）采用 LumiLEDs5630 芯片及高质量电子元件（ 2）显色性高达 80，真实还原色彩（ 3）内涂高反射材料，进一步提高光效（ 4）低耗能 节能 50%以上（ 5）无汞 无玻璃 无破碎和环境污染风险计算与分析平均照度（Eav）=光源总光通量（NX）x利用系数X维护系数/区域面积（m2）（适用于室内或体育场的照明计算 ）利用系数（CU）: 般室内取 0.4，体育取 0.3 ;维护系数（MF）: 般取 0.70.8 ;一间教室室内照明： 40 平米房间当使用格栅灯时一间教室的平均照度为 960Lux根据公式求所用 LE

28、D 灯的数量。平均照度=NXXCUX MF/面积=（18000XN）X0.4X0.8 - 40 =960LuxN=8 所以一间教室需要 8 盏 LED 灯能和教室现有照度相同。照度分布图光斑面积光束角 21.22 度高度图3飞利浦8-20WLED照度图教室 LED 灯分布图r |* 21 h_ nH （X）（X）3 U11 *34图4教室内LED灯分布图图 4 中教室为 5X8 平方米，图中 1 为窗户，2 为黑板，3 为门，4 为20WLED 丁 8 盏。市场价格平均每盏 LED 灯 120 人民币，一个教室为 8 盏，本次采样估计取 10 个教室。灯的购买价格 =120X8X10=9600 RMB20W 节能灯 1 度电可以照 50 小时， 所以 1 小时是 0.02 度 假设一个教室只有早 7 点到晚 9 点照明，一天共 14 小时在照明。 一间教室的用电量 =0.02X14X8=2.24 kw.h10 间教室的用电量 =2.24X10=22.4 kw.h一度电为 0.6 元，所以一天 10 间教室支出电费为 22.4X0.6=13.44 RMB第五章 总结半导体照明作为新型高效固态光源，具有长寿命、易控制、安全、绿色、环 保等显著优点，而其耗电量只有普通照明的1/10 。中国工程院院士、中国科学院半导体研究所研究员陈良惠为此算了一笔账： “只要目前 1/3 的白炽灯被半导