推荐12w大功率LED筒灯设计设计 精品.docx

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推荐12w大功率LED筒灯设计设计精品

皖西学院

本科毕业（设计）

题目

12w大功率LED筒灯设计

姓名（学号）

（20XX011687）

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

二〇一三年六月

12w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

Designof12whighpowerLEDlamp

Abstract:

Inrecentyearswiththedevelopmentofsemiconductormaterialgrowthtechnologyanddevicepackagingtechnologyadvances,theluminousefficiencyandreliabilityofhigh-powerLEDlamphasbeengreatlyimproved.ButbecauseoftheappearanceLED,drivingcircuitdesign,differentluminescencecharacteristicsandtheselectionoflensandtraditionallightsource,theexistingpowersupplyandlightingsystemcannotbefullyapplicabletotheLED.SohowtoLEDlampshape,drivecircuit,theselectionoflensopticalsystem,cooling,structuredesign,theuseofhigh-powerLEDlamppotential,promotethedevelopmentofsemiconductorlightingindustryandhasanimportantroletopromotetheimprovementofqualityoflife.LEDdownlightisembeddedintotheceilinglightbeamlighting.

ThispaperfirstintroducestheconceptofLEDlamps,theprinciples,developmentstatusandsignificanceofessenceandlightingindustry,expoundsthetheorybasisoflightingandlightingdesign;andthendiscussesthedesignideaof12WhighpowerLEDtubelight,accordingtothe12WhighpowerLEDlampdrivecircuitandotherdesign,thispaperadoptsparative,thinking,analysis,continuousimprovement,andultimatelytomeet12Whighpoweraswellastodeterminetheappearance,heatdissipation,reducingthemanpowerandmaterialconsumption,tomakeitsowncontribution.

Keywords:

highpower;LED;lamp;design

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，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。

1LED的介绍

1.1LED灯的简单概述

LED是发光二极管（lightemittingdiode）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。

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φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm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。

1.2LED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。

20XX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，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。

LED灯具的寿命与LED本身寿命、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2π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2V～3V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，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。

1.4LED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，防止追尾更强的抗震性能发，光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在10纳米以内。

发光热量很小，对灯具材料的耐热性要求不是很高光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%，省电。

超长寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在6年以上，控制电路不易氧化。

高节能比：

采用精准的二次配光技术，根据你的照明要求，选择不同配光方式，让每一丝光线打在一需要的地方。

产品灵活：

产品模组化科自由拆卸，根据不同需要选择功率范围。

产品可靠性高质量的LED芯片：

全部采用进口优质芯片，主要来源于CKEE，PHILIPS，台湾晶元。

无螺丝结合的散热系统，在稳定产品性能的同时，极大的保证产品寿命，产品寿命达50000小时。

优质的部件材料：

采用抗老化部件材料，以提升产品的整体寿命。

2LED筒灯的设计

2.1整体外观的设计

图2-1整体外观设计图

随着大功率高亮度白光LED的发展，LED的应用已经从早年的指示、显示和室外景观装饰走向室内普通照明时代。

目前，室内白光照明主要通过多颗1～3W的白光LED芯片组合成超大功率LED阵列来实现。

在当前技术水平下，大功率LED工作过程中只有10%～20%的电能转化为光能。

例如，若LED输入功率为2.5W，芯片面积为1mm×1mm，按照80%的电能转化为热能，则有2W左右的电能转化成热量，其芯片热流密度达到了200W/cm2。

如此高的热流密度，如不采取有效的散热措施，会导致芯片温度升高，发光效率降低，以及波长漂移，显色指数下降等一系列后果，进而缩短LED的正常工作寿命。

因此，对大功率LED灯具的散热优化具有重要的实际应用意义。

所以对大功率LED灯具的散热分析与设计已成为LED灯具封装的关键技术之一由于LED灯具在工作时，各材料间会形成温度梯度，从而形成热应力和材料失配，此外，根据温度分布可以合理设置芯片排放位置、选择材料、优化各部件尺寸等。

在此设计了12w大功率LED筒灯的封装结构。

然后计算分析了此灯具的温度场分布，并通过实验进行验证，在与实验结果吻合的基础上，结合各构件温度场分布与传热学理论，分析了LED散热的主要因素，并揭示出了一种新型实际可行的封装结构，最终制作出此种外观结构。

优点：

结构简单，外观较美，视觉效果较好，散热效果较优。

2.2驱动电路的设计

2.2.1传统LED驱动电路

图2-2传统的电路

LED驱动电路除了要满足安全的要求以外，另外的基本功能应有两个方面，一个是尽可能保持恒流的特性，尤其是当电源电压发生±5％的变动时，则仍应能保持输出电流在±10％的范围内变动。

第二是驱动电路自身应保持较低的功率损耗，这样才能够使LED的系统效率保持在很高的水平。

传统的低效率电路：

图2-2所示是传统的电路。

电阻R的存在是必须的，R上的有功损耗直接影响了系统的效率，当R分压较小时，R的压降占总输出电压的40％，输出电路在R上的有功损耗已经占40％，再加上变压器损耗，系统效率小于50％。

当电源电压在±10％的范围内变动时，流过LED的电流变化将≥25％，LED上的功率变化将达到30％。

当R分压较大时，在电源电压在±10％的范围内变动时，虽说能使输出到LED的功率变化减少，但系统效率将更低。

工作原理：

220V交流电源首先通过降压变压器降压，降到36V交流电，再到桥式整流电路整流经过电容进行滤波后，通过限流电阻来驱动12个LED稳定工作，这是电容滤波的单相不可控整流电路。

空载时，R趋向于无穷大，放电时间常数也为无穷大，输出电压

=

。

重载时，R很小，电容放电很快，几乎失去贮能作用，随负载加重

逐渐趋向于0.9

，即趋向于接近电阻负载时的特性。

通常再设计时根据负载的情况选择电容C值，使RC≥

T，T为交流电源的周期，此时输出电压为

≈1.2

。

这里二极管属性选为40V,1.5A,电容属性为1500uF,LED灯的额定电压为3.6V，额定电流为360mA,限流电阻的阻值为20欧姆，当选取以上规格的元器件时，通过每个LED灯的电流为350mA，每个LED灯的电压为3.0V,则每个LED灯的功率为1.05w,12个LED灯再串联起来，功率达到12w,符合12w大功率LED筒灯的要求。

但这种电路的缺点是：

此驱动电路没有恒流源的控制，经过整流滤波后，得到的电压不稳定，造成LED灯的超载，导致输出的功率达不到理想的状态，达不到预期的效果。

2.2.2LED的改进驱动电路

图2-3是在图2-2的基础上加了一个集成稳压元件MC7809，使输出端的电压基本稳定，不会因为电源电压的不稳定造成LED的超载。

图2-3改进的电路

但是此电路虽然保证了LED的基本恒定的输出，但效率还是很低的。

因为MC7809和R1上的压降占很大比例，且输出的电压不能够驱动LED进行大功率输出，其效率仅为40％左右。

而且上述这类电路的应用，根据系统总的每瓦输出流明的大小来看，此筒灯是根本不能称为节能的照明产品的。

为了能够达到LED既能稳定工作，又能保持高的效率的状态，应采用低功耗的限流元件和输出大功率的电路来提高系统的效率。

2.2.3电容降压的LED驱动电路的简单介绍

电容降压的工作原理并不是很复杂。

它的工作原理就是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

比如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗大约为3180欧姆。