网络型LED光源系统的设计Word格式文档下载.docx
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摘要
发光二极管LED具有功耗低、体积小、寿命长、无红外辐射等特点，是一种节能环保的绿色光源，在照明系统的应用中有着传统光源不能替代的优点。
但是由于LED的外形和发光特性和传统光源有着很大的不同，使得现有的许多照明系统无法应用于LED，因此对LED照明系统的深入研究是必要而有意义的。
本文针对LED照明系统及其设计理论进行了研究，其主要工作如下：
1．针对应用在照明系统中的LED光源进行了研究，总结了LED的发光原理和光学特性，探讨了LED照明系统选择LED光源的理论依据，并给出了LED照度分布和光通量的计算方法。
2．针对LED照明光学系统，研究了应用于点光源和应用于扩展光源的设计理论和方法。
重点论述了包括光学扩展量和边缘光线原理的非成像光学理论。
3.采用无线通信与电力载波通信相结合的方案设计了智能型网络LED路灯控制系统。
关键词：
网络型；
LED；
光源；
Abstract
LightEmittingDiode（LED）hastheadvantagesoflowconsumption,smallsize,longlifetimeandnoinfraredirradiation,therefore,isallenvironmentfriendlylightsource.LEDismoteadvantageousinilluminationsystemthanotherlightsources.Howevercomparedst11traditionallightsourcesithasdifferentfigureandopticalpropertieswhichmakeitdifficulttoapplysomecurrentilluminationsystemstoLED,soitisnecessaryandmeaningfultodeeplystudyit.Inthispaper,LEDilluminationsystemanditsdesigntheoryarestudied；
themaincontentsareasfollowing:
1．LEDsourceinilluminationsystemisstudied．Firstly，theluminescentmechanismandopticalpropertiesofLEDarestudied.Inaddition,thetheoreticalbasisofchoosingLEDinilluminationsystemisdiscussed,andthecalculationmethodsofilluminanceandluminousfluxarepresented.
2．AccordingtoLEDilluminationsystem,thedesigntheoryandmethodappliedtobothpointoliteandextendedlightarestudied.Furthermore,non-imagingopticsisdescribedindetail,includingthelitenduetheoryandtheedgerayprinciple.
3．WirelesscommunicationsandpowerlinecarriercommunicationdesigncombiningtheintelligentnetworkcontrolsystemofLEDlights.
Keywords:
Network-type;
LED;
lightsourcesystem;
1绪论
1.1LED的发展背景和意义
“绿色照明”是上世纪九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象说法。
绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。
许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。
现在，照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要措施[1]。
作为固体光源的LED（LightEmittingDiode）又称发光二极管，真正点燃了“绿色照明"
的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命。
节能、环保是未来社会工业发展的主流、“绿色照明”的重要标志，而LED照明在这两方面都极具发展潜力。
普通的白炽灯采用的是热发光技术，它以发热的形式浪费了90％的能源，而LED照明灯属“冷光源”，其耗电量只是同等亮度白炽灯的十分之一。
LED照明应用大大节约能源的同时，还将减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染。
据测算，1998年全球照明共消耗2300亿美元的电力，同时在发电过程中还产生4.1亿吨二氧化碳气体，而假如到2025年有一半的普通光源被LED照明取代，那就意味着全球每年将节约电费1000亿美元，并减少3.5亿吨二氧化碳的排放。
使用LED灯具具有以下优势
（一）光照性能好
LED灯具由于光的单向性，没有光的漫射；
独特的二次光学设计，减少了眩光；
大功率LED灯采用直流供电，独有的恒流装置，使发光恒定，彻底无闪烁。
（二）光效高
LED灯的光源效率目前已达100流明/瓦，理论值达250流明/瓦，金属卤化灯可达70流明/瓦，高压钠灯的发光效率随功率增加才有所增加，最大达80流明/瓦。
因此，总体光效LED灯具较强。
（三）显色性好
LED灯显色指数达到85以上，更接近自然光（阳光的显色指数为100）；
高压钠灯显色指数只有23左右，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上。
（四）光衰小
LED灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低。
（五）使用安全
LED照明是一种固态照明，可以有效防震、防爆；
LED是低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，系列产品单颗LED功率都为1瓦，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照明。
（六）安装简便
每个单元LED小片只有很小体积，因此可制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境；
无需加埋电缆，无需整流器等。
（七）寿命长
国产的高压钠灯因质量和技术问题寿命较短，一般都小于3000h，进口的以菲利普最好，达到3000-4000h；
LED灯则能使用50000h以上。
（八）可靠性高
高压钠灯等高强度气体放电灯有延迟效应，要在点燃15分钟后才能达到其90％-100％光通量，而大功率LED灯通电即达到正常亮度，无开灯延时现象。
LED灯具由多组LED光源组成，个别损坏，不会全灯熄灭，不影响正常使用，灯具的可靠性高[2]。
1.2LED光源的发展历史和趋势
作为21世纪照明新光源的发光二极管LED已经经历了40多年的技术发展。
最早应用半导体P—N结发光原理制成的LED光源要追溯到上一世纪60年代初。
当时所用的材料是GaAsP、发红光（峰值波长650纳米）。
当驱动电流为20毫安时，LED的光通量只有千分之几流明、发光效率仅有0.1流明/瓦。
70年代初期到中期，发光半导体技术进展飞速，光效提高到1流明/瓦，而且发出其它颜色的LED光源也相继面世，覆盖了从红色到黄、绿色的主要光谱范围。
到80年代初，出现了GaAIAsLED光源，使得80年代后期时，红色LED的光效已经达到10流明/瓦。
在90年代初，两种新材料的LED光源被开发出来，即发红光、黄光的GaAIInP和发绿、蓝光的GalnN，这两种材料的开发使LED的光效进一步得到大幅度提高。
到2000年时，前种材料被做成的LED在红、橙区（615纳米）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（530纳米）的光效为50流明/瓦。
新型可见光LED的发光材料是以A1GalnP和GaN为主。
发展趋势主要是实现全彩、提高亮度、改进封装、显示大型化、材料外延生长的新技术实现产业化。
金属有机化合物、汽相淀积（MOCVD）法的晶体生长工艺己经成为当代开发、生产新型LED，实现全彩化、高亮化的关键技术。
1．全彩化：
实现全彩化的一大难题是实用化的可见光LED中缺少蓝色，因为要实现全彩（包括白色）显示，必须要有红、绿、蓝三基色，因而蓝色LED的发展一直受全彩显示所驱动。
多年来，日本、美国等国都在极力研究开发蓝色LED。
1994年日本日亚公司首先成功的开发了蓝色LED主要应用于全色显示屏，现在能够销售蓝色LED的厂商也只有日本日亚公司和美国GREE公司几家。
改善蓝色LED的晶体材料质量，提高发光效率，降低生产成本仍是今后发展的主要目标。
蓝色LED刚问世时候售价高达50美元1只。
随着生产技术的不断改进，目前低亮度的蓝色LED价格已降到1美元/只，今后随着技术的成熟，价格将会继续下跌。
预计到2010年蓝色LED的亮度将和红色、橙色、黄色、绿色LED不相上下，而且售价只有5美分/只。
2．高亮化：
目前全球LED的产值中高亮度产品约30％。
至2005年，全球LED的总产量突破38.46亿美元，其中高亮度产品，每年都有大约30％的增长，至于中低亮度的产品增长率不会超过5％。
再者超高亮度（法向光强超过1000mcd）的红、橙、绿、蓝色LED产品己进入市场，使一些户外广告板、超大型屏幕、交通指示灯、汽车尾灯、刹车灯、方向灯等应用在扩大。
3．大型化：
这是为了满足大屏幕显示器这一应用领域的需求。
可见光LED之所以会出现这一发展趋势，主要是因为与液晶显示器相比，LED可以以并联的方式联结在一起，不受尺寸大小的限制，而且LED本身可发光。
对于一些需配备大尺寸的产品而言，更希望一些大型化的LED，目前显示屏的最大尺寸己经达到10×
15m2。
4．封装小型化：
封装小型化主要是指适合于表面安装的LED品种增多。
表面安装LED为带盘式的封装，卷盘尺寸大约为117.8mm，可以容纳大约2000只LED管芯。
大部分尺寸2.9×
1.3mm2，最新的表面安装LED产品将采用专有的“模制内部连接装置技术”，使用高效反射外壳，保证了亮度，还适合于回流焊接。
表面安装LED已成为封装小型化的主流和发展方向。
1.3智能网络型LED光源
智能网络型LED光源系统是由LED灯组、电源（单灯控制部分）和灯体组成。
LED灯组是照明部分，主要由多个大功率LED组成。
同时使用配光曲线可调的方式组装，依次来实现LED灯组的最佳配光曲线。
电源主要的功能是实现对LED灯的各种控制，是整个光源系统的集中优势体现和核心技术。
智能网络型LED光源系统具有以下特点：
1.独立单元散热特性：
LED灯具散热是一个很关键的环节，智能网络型LED光源系统产品在灯具结构设计上采用模块化设计理念，充分考虑散热空间和散热效率。
优势在于：
⑴突破传统灯具的设计误区，采取分散组合的方法，既方便散热，又方便安装，组合方式灵活，不同功率，不同形状，任意组合，方便灯具的设计。
⑵组合单元之间均有间隙。
既减轻了整个灯具的重量，又有利散热通风，解决了自身过重，不利于安装，不利于防风的弊病。
⑶在同样照度下较传统灯具节电且照度均匀，效果非常理想。
2.发光单元模块优化组合性：
LED灯具内的发光单元模块具有一定的角度性，若聚集在一块板上，则发光范围受限制。
因此采用将一块板分割成若干单元模块的方法，并将它们在一个弧面上均匀排列组合，从而既可以扩大发光范围，又不会影响发光效果，实现发光单元模块优化组合的特点。
3.配光曲线可调性：
配光曲线是灯具设计的一个重要参数。
传统灯具一旦设计成型，配光曲线也就固定不能改变了。
智能网络型LED光源系统充分发挥LED单元照射方向便于调控的优势，采取了每个LED照明单元分别用于照射附近、中、远距离的照明，使LED单元输出的光均匀的覆盖在两盏灯具之间面上，覆盖宽度基本上和照射面宽度吻合。
用比较小的功率达到满足要求的局部照明效果，也可以避免了两盏灯具之间的“亮度盲区”，实现了最佳照明效果[3-7]。
2LED发光原理及光学特性
2.1LED基本原理
发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。
发光二极管的发光原理可以用PN结的能带结构来解释。
在LED的PN结附近，N型材料中多数载流子是电子，P型材料中多数载流子是空穴。
PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放出相对应的能量而发光。
PN结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。
PN结半导体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回半导体内部，最终被吸收。
为了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料，封装几何形状。
这样，从芯片透出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高。
同时，封装透镜还起到保护半导体芯片和控制输出光分布的作用。
图2.1典型的发光二极管结构
典型的发光二极管结构如图2.1所示，其中包括三个关键结构：
首先是LED芯片，其次是芯片所在的金属罩，这个金属罩既是电极，又是散热器，而且还作为反射镜用来收集光线能量。
最后是上面提到的集成照明透镜或封装。
2.2LED的光学特性
在照明光学系统中，光源的光分布是后续光学系统选择的主要出发点和依据。
照明光源的光分却特性一般用其周围宅间的光强分布（称为配光特性）或用与照明光源轴线垂直或平行的假想平面上的照度来c兑明。
如果照明光源的尺寸比其与被照面的距离小很多，光源可以被看成点光源，那么用发光强度来表明光分布是足够准确的。
如果当光源的大小和其到观察点之间的距离相比4i是很小时，人们称该光源为扩展光源，不能直接用光强的概念来描述，需要借助亮度来描述。
光强空间分布特性是用配光曲线来表示，一般分为极坐标法和直角坐标法来表示曲线。
图2.2配光曲线
1．极坐标配光曲线。
在通过光源中心的测光平面上，测出照明器在不同角度的光强值。
从某一给定方向起，以角度为函数，将各个角度的光强用矢量标注出来，连接矢量顶端的连线就是照明光源的配光极坐标曲线。
如图2.2左半部分。
对于旋转对称的光源，在与轴线垂直的平面上各方向的光强值相等，因此只用通过轴线的一个测光面上的光强分布曲线就能说明其光强在空间的分布。
如果照明光源在空间的分布是不对称的，则需要用若干个测光平面中的光强度分布曲线来说明空间光分布。
2．直角坐标配光曲线。
有些光束集中于狭小的立体角内的照明光源，用极坐标难以表达清楚时，就用直角坐标表示，以纵轴表示光强，以横轴表示光束的投射角，用这样的方法绘制的曲线称为直角坐标配光曲线。
如图2.2的右半部分。
LED芯片可以近似一面光源，在没有集光光学器件的情况下，其各个方向上的光亮度都近似一致。
满足朗伯定律的LED光源极坐标配光曲线近似为圆形，如图2.3所示。
在有集光光学器件的情况下，根据其配光曲线可以得到光源的半强度发散角、中心光强等参数，同样从配光曲线能够估算出光源的总光通量。
图2.3满足朗伯定律的LED配光曲线
根据光强度的角分布可以把LED光源分为三类：
1．高指向型。
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。
半强度角为5-20度或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。
2．标准型。
通常作指示灯用，其半强度角为20-45度。
3．散射型。
这是视角较大的LED光源，半强度角为45度或更大，没有过多考虑聚光设计的一次封装，多见于高光通量的LED[8]。
2.3LED光谱特性
典型的单色LED光源光谱狭窄，几乎没有紫外和红外线，非常适合于实际的照明设计。
所以LED光源可以很好的满足照明设计中对于照明光源的光谱特性的细致要求。
这些要求诸如铁路信号机要分为红色、绿色、黄色、蓝色、白色五种信号灯，而每种灯要求光源有一个特定的光谱分布；
还有一些照明光源是由多色LED配色得到的，每种LED的光谱范围也会有一定的要求。
总之，对于照明面给出的色度要求，必须选择对应的具有特定光谱分布的LED光源。
光源的光谱特性可由供应商提供或由光谱仪测量。
图2.4所示为一个LED系列光源的光谱特性，图中共标出了七种颜色的LED光谱分布。
图2.4LUXEONEmitter的光谱特性
2.4LED发光效率
光源所发出的光通量和它所消耗的电功率之比，称为发光效率。
发光效率与LED光源的光输出密切相关，是照明系统选择LED光源的关键因素，更是半导体照明产业发展进程中的关键指标。
明确并信赖其发展前景，对LED照明领域的从业者十分重要。
发光效率K表示为：
（2.1）
K的单位为流明每瓦（Lm/w）。
照明系统中LED光源的选择需主要考虑LED光强分布特性、光谱特性、发光效率这三种光学特性。
3网络型LED光源系统设计理论
LED照明系统，顾名思义指的是采用LED作为光源的照明系统。
照明系统是光学领域内一个重要的分支，它的设计应用在很多领域，如室内照明、交通信号灯、汽车照灯、投影系统、激光泵浦源系统等等。
严格说来，照明系统属于非成像系统，虽然照明系统在设计时也会采用一些传统成像理论，但它与一般成像系统有着许多不同。
照明系统一般要考虑光源的特性，光源的特性决定照明系统的设计，而系统需要照亮的往往是一个立体空间。
而一般成像系统不考虑物方空间的亮度分布，在像方往往是成一个平面像；
照明系统其形成经常是多种多样的，各光学面可以无序排列。
一般成像系统虽然可以非常复杂，但经常可以把其中的各光学面作有序排列，所有光线均按此顺序逐一通过各面；
照明系统在照明区域中任意一点的照度看成由光源上许多点发出的光能通过照明系统分配后叠加形成的，用光照度图和空间光强分布图进行评价。
一般成像系统物像空间有着相应的点与点对应的共轭关系，故可在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的像点，用垂轴像差、点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价。
总之，照明系统注重的是光能量的传输与分配而非光学信息的传递。
照明系统一般由三部分组成：
光源、光学系统、照明平面。
每一个照明系统的设计都应该围绕这三个方面进行。
首先要选择合适的光源，选择依据是光源的特性（包括光学特性和形状等）和设计指标相匹配。
然后在光学系统的设计中要解决光能量的收集问题并实现预先指定的光场分布。
对于照明平面，我们关心的是光学系统对于光能的传输与分配是否符合设计指标。
完成照明平面的评价可以通过实验验证或计算机辅助仿真。
本章依次从LED照明系统的光源、光学系统、照明平面出发，对照明系统的设计理论进行研究和讨论。
3.1LED光源的选择及其光度学计算
3.1.1LED光源的选择
光源是照明系统中重要的组成部分，也是设计中应该优先考虑的环节。
光源的选择不是盲目的，通常要求设计指标和光源的特性相匹配。
光源的特性包括光学、电学、机械等方面特性。
对于LED光源来说，光学特性是光源选择时主要考虑的因素。
首先LED光源的光度学参数一定要满足设计指标。
光源的光度学要求一般指的是照度要求和光通量要求。
选择LED光源往往关注的是光通量要求，照度指标可以通过后续的光学系统来满足设计指标。
其次，LED芯片的发散角很大，即使通过一次光学设计的LED光分布特性也各有不同。
如果设计指标对系统出射光束发散角要求宽松，光源选择范围可以很大；
但如果设计指标说明要得到发散角小的出射光束，就要尽量选用发光半角较小的LED光源，这样可以减少后续光学系统的设计难度和复杂度。
最后LED光源也要满足设计指标中的光谱要求。
进行光源的选择时，要遵循“物尽其用"
的原则，尽量选用刚好满足设计指标的光源，而不要选用各种参数都大大超过设计指标的光源，避免不必要的浪费。
比如在LED信号灯光学系统的设计中，设计标准会指定光源参数，单LED光通量可以是几1m到十几lm，如果选用光通达几十1m的超高亮度LED光源，其所消耗的经济成本和能源成本远大于亮度提高所带来的收益。
所以从这一点来说，照明系统的设计必须跟实际情况相联系，设计人员才能得到真正有实用价值的设计[9]。
综上所述，LED光源的选择是一个综合考虑的结果，其中LED光源的光学特性是光源选择的主要依据。
在对这些光学特性进行评价时，不可避免要计算一些光度学参数，下一小节将介绍LED光度学参数的计算理论。
3.1.2LED光度学参数的计算
发光强度余弦定律
假定发光微面幽在与该微面垂直方向上的发光强度而，根据光亮度公式有：
（3.1）
由上式得：
（3.2）
上式就是发光强度余弦定律，又称朗伯定律。
3.1.3点光源照度计算
一般当光源的最大尺寸不超过光源至被照平面间最小距离的五分之一时，就可以将此光源看作点光源。
图3.1点光源照度计算
假定点光源A照明一个微小的平面dS，如图3.1所示。
dS离光源的距离为
，其表面法线方向ON和照明方向成夹角
，假定光源在AO方向上的发光强度为
，则光源射入微小面积劣内的光通量为：
（3.3）
其中
，代入上式得：
（3.4）
根据光照度公式可得：
（3.5）
上式就是实际应用的光照度公式。
可以看出，被照明物体表面的光照度和光源在照明方向上的发光强度，及被照明表面的倾斜角Ⅱ的余弦成正比，而与距离的平方成反比。
因为实际上一般的照明光源并不存在相干的问题，因此当有n个点光源同时照射工作面时候，n个点光源产生的照度等于每一光源分别产生的照度的总和。
总照度可用下式表示：
（3.6）
式中：
是第n个光源在照度计算点方向的发光强度；
是第n个光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦；
是第n个光源至照度计算点的距
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