LED照明系统论文.docx

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1、1ED照明系统的研究与设计摘要在当今全球能源紧缺的环境下，节约能源已成为大势所趋。同时，国家也大力倡导节能减排，已结束的2023年北京奥运会和正在举办的2023年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这就给中国1ED照明产业的开展带来了巨大的历史机遇。1ED与传统光源相比，具有节能、环保、响应时间短、效率高、体积小、寿命长、抗震性好等多项优势，因而受到人们的青睐,也成为当前各国半导体照明领域研究的热点。本文围绕1ED用于照明灯的散热设计、电路设计、灯具设计、照明系统设计等关键技术进行研究,具体完成的工作归纳如下：1研究了1ED器件的光学特性、热学特性、电学特性。分析了1ED的工作原理，对各项

2、性能的研究。2.分析了PN结温度升高对1ED性能的影响,讨论了1ED灯具散热的重要性,研究了1ED灯具的散热途径。分析了1ED的热阻及其模型，热阻的测试和减小热阻的方法。3.分析了1ED照明系统的设计，研究了1ED照明系统的电路设计、灯具设计，讨论了驱动电路的工作原理和设计要求、灯具的设计功能和指标，通过灯具、光源、驱动器组成了一个照明系统。最后，对全文的工作进行了总结。关键词：1ED；照明系统；驱动电路；散热；TheResearchAndDeviseOf1ED1ightingSystemAbstractIntoday,senvironmentofg1oba1energyshortage,en

3、ergyconservationhasbecomeatrend.Thestateadvocateenergysaving,hasendedthe2023BeijingO1ympicGamesandisbeinghe1dinWor1dExpo2023ShanghaiCoincidenta11y,boththegreenenergythemethistothedeve1opmentofChina,s1ED1ightingindustrybroughtgreathistorica1opportunity.Comparedwiththetraditiona11ightsource1ED,energys

4、aving,environmenta1protection,responsetime,highefficiency,sma11size,1ong1ifeandgoodnumberofearthquake,andtherefore,bythepeop1eofa11ages,hasbecomethenationa1semiconductor1ightinginthefie1dofresearch.Thispaperfocuseson1ED1ightingforthetherma1design,circuitdesign,1ightingdesign,1ightingdesign,keytechno

5、1ogyresearch,thespecificworkcomp1etedasfo11ows:1.Oftheoptica1characteristicsof1EDdevices,therma1properties,e1ectrica1properties.Theworkingprincip1eofthe1ED,onthevariousproperties.2.Ana1ysisofthePNjunctiontemperatureonthe1EDperformance,discussedtheimportanceof1EDheat1amps,heat1ampsofthe1EDchanne1s.An

6、a1ysisandmode1thetherma1resistanceof1ED,therma1resistanceandreducethetherma1resistancetestmethods.3.Ana1ysisofthe1ED1ightingsystemdesign,researchthe1ED1ightingsystem,circuitdesign,1ightingdesign,todiscussthedrivercircuitoperatingprincip1eanddesign,1ightingdesignfeaturesandtargets,throughthe1amp,1igh

7、tsource,thedrivetoforma1ightingsystem.Fina11y,thepapersummarizesthework.Keywords:1ED；1ightingSystem；Drivecircuit；Coo1ingIIAbstractH1fII1 1ED的开展及其根本知识21.1 1ED的开展历程21.2 1ED的工作原理、特性及其分类31.2.1 1ED发光原理31.2.2 1ED的特性41.2.3 1ED的分类62 fiJ)IJ82.1 1ED的结温82.1.1 1ED结温的产生82.1.2 结温对1ED的影响92.2 1ED的热阻121ED器件的热阻模型及其构成

8、和特点132.2.2热阻对1ED芯片尺寸的影响14常用热阻测试方法15减小1ED的热阻值方法163I11Ir1-173.1 照明用1ED主要技术特性173.2 1ED驱动电路技术193.2.1 1ED驱动电路的根本原理193.2.2 1ED驱动电路的要求213.2.3 1ED驱动电路的设计23结束语参考文献刖百1ED被认为是21世纪的照明光源。1ED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，1ED能耗为白炽灯的10%,荧光灯的501ED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用1ED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用平安可靠，便于维护。我国照明用电占总发电

9、量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。11ED的开展及其根本知识1.1 1ED的开展历程1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；研究被摒弃了。二十年代晚期BernhardGUdden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。再一次因发光暗淡而停止。1936年,GeorgeDeStiaU出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现

10、了“电致发光这个术语。1ED光源的正式问世是在上世纪60年代，当时所用的材料是GaAsP,发红光（p=650nm）,在驱动电流为20亳安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N,使1ED产生绿光（入p=555nm）、黄光（入p=590nm）和橙色光（入P=61Onm）,光效也提高到1流明/瓦。80年代初，出现了GaA1AS的1ED光源，使得红色1ED的光效到达10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAIInP和发绿、蓝光的Ga1nN两种新材料的开发成功，使1ED的发光效率得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的1ED在红、橙区（p=61

11、5nm）的光效到达100流明/瓦，而后者制成的1ED在绿色区域（p=530nm）的发光效率可以到达50流明/瓦。1ED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，1ED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度1ED取得了突破性进展，其发光效率提高了近IOOO倍，色度方面已实现了可见光波段的所有

12、颜色，其中最重要的是超高亮度白光1ED的出现，使1ED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出，高亮度1ED将是人类继爱迪生创造白炽灯泡后，最伟大的创造之一。目前在美国，户外照明所消耗的电量约占其总发电量的4.4%。正是基于这一情况,美国众议院最近提出了一份新议案,要求逐步淘汰能效低下的旧技术（如白炽灯和卤素灯），为能效更高、更具本钱效益的新照明技术（如高亮度1ED）的开展铺平道路。1.2 1ED的工作原理、特性及其分类1ED发光原理发光二极管是由m-IV族化合物，如GaAS（神化像）、GaP（磷化钱）、GaAsP（磷神化保）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结

13、的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一局部与多数载流子1多子）复合而发光,如图IT所示。图1-11ED发光原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面

14、数Um以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即1240Eg(Inm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)O假设能产生可见光(波长在38Onm紫光780nm红光)，半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管本钱、价格很高，使用不普遍。1ED的特性1 .极限参数的意义(1)允许功耗Pm:允许加于1ED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，1ED发热、损坏。(2)最大正向直流电流IFm允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。(3)最大反向电压VRm：

15、所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。(4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2 .电参数的意义(1)光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示。由图1-2可见，该发光管所发之光中某一波长入O的光强最大，该波长为峰值波长。(2)发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。假设在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时，那么发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般1ED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(med)作单位。(4)半值角1/2和视角：O1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。(5)正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6-IFm以下。(6)正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF