关于某LED灯的毕业论文设计.docx
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关于某LED灯的毕业论文设计
某某职业技术学院
SHUNDEPOLYTECHNIC
毕业论文
题目：
LED灯照明设计与测试方法
系〔院〕：
电子与信息工程系
专业：
应用电子技术
班级：
09应用电子
学生某某：
梁永昌
学制：
3年
学号：
09130349
指导教师：
李凡阳
专业负责人X文彬
起止时间：
2012年03月—2012年06月
某某职业技术学院毕业论文任务书
〔学生任务书-----由指导教师填写〕
电子与信息工程系应用电子技术专业〔一〕班梁永昌同学：
一、毕业论文课题
LED灯照明设计与测试方法
二、毕业论文内容和目标
介绍LED〔发光二极管〕的历史和它在未来的作用，LED灯具的外形设计，电源电路的设计和LED灯具设计后的测试等
目标是让人们了解LED灯的优点、它的设计方法和设计时注意的地方。
三、参考资料
《电子元件与材料》
《深入浅出电源技术一环球电源讲义》
邱关源.原著罗先觉.修订《电路》第五版高等教育
《LED驱动电路设计与应用》人民邮电
四、毕业论文课题时间：
2012年4月15日至2012年5月18日
五、进度安排：
周次
工作内容
预定目标与检查方式
第一周
了解LED的历史
从LED的出现到未来对社会的影响----上网搜索和查书
第二到三周
找LED灯具设计的方法
元器件的选取和设计应注意的问题----问工程师和查工厂里面的资料
第四周
整理内容
把论文的根本资料整理好-----电脑操作
第五周
论文排版
把论文排版准备上交-----电脑操作
六、备注：
1、本任务书一式三份，系、指导教师和学生各执一份；
2、学生须将此任务书按装订要求进展装订。
指导教师：
系主任：
目录……………………………………………………………………………………………3
摘要……………………………………………………………………………………………4
第一章引言…………………………………………………………………………………6
第二章LED灯模块和电路系统的设计…………………………………………………...8
第一节LED灯模块的设计……………………………………………………...8
2.1.1外形设计…………………………………………………………………..7
2.1.2LED灯珠的选用…………………………………………………………..8
2.1.3设计时要注意的地方……………………………………………………13
第二节电路系统…………………………………………………………………14
………………………………………………...14
2.2.2电源板的线路…………………………………………………………..18
第三章安装与测试…………..……………………………………………………………20
3.1材料选择………………………………………………………………..….…20
3.2安装…………………………………………………………………………...21
3.3测试……………………………………………………………………...……22
总结…………………………………………………………………………………………..25
参考文献……………………………………………………………………………………..26
摘要
【摘要】随着科学技术和社会的进步，LED光源越来越广泛的得到人们的青睐，用它做矿灯的光源，可以提高矿灯的安全可靠性，减少工人的维修工作量，延长工作时间。
本文将介绍目前矿灯的现状以与问题，LED矿灯是传统矿灯的最优替代产品。
采用自主封装的大功率LED设计了一种LED矿灯，包括光源的封装，反光杯的设计，电源与电路等。
利用有限元软件进展封装热模拟分析，利用光学分析软件进展光学特性的仿真，结果明确这种矿灯能够满足矿井的使用要求。
【关键字】矿灯；LED；热分析；光学特性；仿真
Abstract
[Abstract]withthedevelopmentofscienceandtechnologyandsocialprogress,thefixturealsograduallychangedfromlight,highpowerconsumption,lowrateofincandescentlamptolowpowerconsumption,highlightbutshortlifeofthefluorescentlamp,fromcheap,lowenergyconsumption,highlightenergysavinglamptolightcolorscanbethrougharemotecontroltochange,lamplifeislonger,smallervolume,inthenextfewdecadesall-powerful-LEDlamp,LEDlamphaslongservicelife,lowpowerconsumption,fastresponsetime,smallvolume,lightweight,resistancetofight,adjustablelight,color,environmentalprotectionandotheradvantages.ButthedesignofLEDlampsalsoneedtopayattentiontomethod.
[Keywords]LED,design
第一章引言
矿灯是煤矿工人必备的井下照明灯具，属特殊型防爆产品，其安全性能和质量与煤矿安全生产息息相关“】。
为了提高矿灯的安全性能，防止因矿灯性能问题引发的瓦斯事故，我国已正式颁布了矿灯国家标准《矿灯安全性能通用要求》（GB7957—2003），自2006年4月1日起，所有煤矿必须全部换用新型矿灯。
因此，研究开发技术先进、具有多重功能、安全可靠的新型矿灯势在必行。
发光二极管（LED）由于具有一系列的优点而成为新一代矿灯的首选光源。
LED矿灯是一种煤矿井下作业矿工使用的新型防爆矿灯，采用先进的LED冷光源，利用锂离子电池供电。
该矿灯可用于煤矿工人井下照明使用，还可用于抢险救灾等特殊场合，具有安全可靠，维护简便，节能等优点。
本文提出了一种新型的LED锂电矿灯设计方案，
2矿灯应用现状
我国矿灯的开展始于上个世纪60年代初，当时我国自主开发研制了以铅酸蓄电池和锡镍蓄电池为电源的KS和l（J系列矿灯产品。
这些矿灯一直承续了几十年，虽然经过不断改良，但在电源形式、光源、结构、功能等方面并没有多大的变化。
通过对瓦斯爆炸矿难事故的调查和统计得出，有相当局部的矿难是由矿工随身携带使用的矿灯引起的，现有矿灯本身存在的缺陷、矿灯生产中的质量问题、矿工的素质等诸多因素成为导致我国煤矿频发矿难事故的重要因素之一。
国外先进矿灯主要有如下特点：
采用双光源，一个光源烧坏后，可用辅助光源照明；采用阻燃耐脂肪酸电缆和防静电塑料外壳；灯头和蓄电池局部达到IP54防护等级，可防水和粉尘；矿灯强度和耐冲击性好；外部紧固闭锁装置一般采用铅封或锡焊，可防止随意拆卸矿灯；蓄电池容量大，可保证点灯时间达16h。
3LED矿灯的设计
一个完整的LED矿灯包括以下几个局部：
灯座、灯盖、防水密封圈、防爆平面镜、反光杯、白光LED、辅助白光LED、电路板以与防静电绝缘垫等。
设计中主要需考虑光学性能、电性能、热性能和寿命可靠性等几方面的参数。
国标中规定〞-，矿灯的额定电压不大于6V，额定电流不大于1．5A，额定功率不大于6W，蓄电池点灯时间不小于11h，每个灯头内至少具有两个光源，删除了对光源照度的要求。
光源的封装
LED光源是新型电光源，功耗小，发光效率高，其光效可达601m／W（矿灯用白炽灯泡光效91m／W左右），理论寿命大于10万h，正常工作时温度很低，属于冷光源。
通过LED封装工艺，建立新型封装结构，优化设计散热材料以与散热结构，通过合理的光学设计，封装出大功率高亮度的LED，以应用于矿灯中。
采用Cree公司生产的功率型LED芯片，配合YAG荧光粉，芯片通过金线与电极焊接起来，并用硅胶封装，光的透过率约为99％，几乎不会吸收紫外线，这样可以抑止树脂老化。
采用高热导率的铝基板作为散热板，并且兼具电路板的作用。
矿灯采用LED冷光源，可使灯头达到本质安全性能，而且在矿灯使用寿命期内不需要更换光源。
图1为大功率LED剖面结构图。
图1LED剖面结构图
l—金线；2—热沉；3--电极；4—透镜；5一硅胶；
6一芯片：
7一基板
尽管LED属冷光源，但长时间工作仍会产生大量的热，特别对于大功率LED更是如此，故采用高热导率的铝基板作为散热板，LED光源焊接在基板上，通过被动散热将LED工作时产生的热量有效快速的散发出去。
也可以将散热片做成灯座的一局部，其散热片直接裸露在灯头的外面，与外界空气直接接触，具有更好的散热效果，但必须保证灯头的密封性，且外部金属件之间不允许有电位差.
反光杯的设计
通过安装旋转抛物面反光杯使发出的光线准直聚焦。
二次光学设计所采用的模型通过微加工而成，其形状可以控制LED器件的发散角度，把光源出射的光导向所要的工作空间。
主光源大功率发光极管聚光性强，旁边接3个5mm的小功率LED作为辅光源。
图2为所设计矿灯的三维模型，为了便于进展光线仿真，没有画出辅灯。
反光杯的内外表在高真空度条件下蒸镀Al膜，用于提高光的反射率，LED放置在杯底中央，并固定于电路板上。
钱可元〞1等设计了一种全内反射透镜，这种透镜工艺简单，减少了反射界面的损耗，提高了光效，取得了良好的效果。
图2矿灯三维模型图
第二章LED模块设计和电路系统
第一节LED灯模块设计
2.外形设计
灯具能不能吸引消费者，灯具的外形至关重要。
对于消费者来说第一印象是最重要的，一个产品它的外观特别、新奇，这样会让消费者的好感倍增。
外形的设计你首先考虑的是它的用途和用的地方。
它是用来做路灯呢？
还是用来做室内照明。
这可很重要的，以为两者所用的材料差距很大的，路灯注重的是大功率亮度要高，还要防水、防晒、防尘、抗老化能力强。
而室内照明注重的是外形、功能和色彩。
设计灯具外形还要考虑所用的材料，如何能在节约本钱的情况下设计出性价比拟高的灯具。
图2-1LED灯外形设计
例如：
你设计大功率的探照灯
图2-2大功率探照灯
作为探照灯它工作的环境是户外的，所以防水、防尘等自然因素的影响是首要解决的问题。
接着是因为是探照灯所以功率一定要够大，亮度要够高才能在漆黑的夜晚起到相应的作用，所以灯珠会选用大功率的灯珠，大功率的灯珠发热量是非常大的，所以还要考虑它的散热问题。
最后就考虑本钱了，控制本钱对厂家来说是最主要的问题，本钱能控制得当，赚的钱就越多。
2.1.2LED灯珠的选用
发光二极管简介：
发光二极管〔LED〕是一种电致发光的光电器件。
早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光率的红光LED已是1969年了。
到今天，LED已生产了30多年，回顾过去，它已茁壮成长。
各种类型的LED、利用LED作第二次开发的产品与与LED配套的产品〔如白光LED驱动器〕开展迅速，新产品不断上市，已开展成不少新型产业。
LED开展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。
随着LED技术的迅猛开展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以与最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大商品。
展望将来还期望更进一步地提高
早期LED主要用于做指示灯。
它的发光强度不高，一般小于1mcd，高的也仅几个mcd；另外，发光效率也不高，一般小于0.21m/w，其功率仅几十mw到上百个mw〔属于小功率LED〕。
本文就从发光强度提高说起。
发光二极管的结构：
LEDLamp（led灯）主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料组成。
图2-1
一、支架：
〔1〕、支架的作用：
用来导电和支撑
〔2〕、支架的组成：
支架有支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层组成。
〔3〕、支架的种类：
带杯支架做聚光灯型，平头支架座大角度散光型的Lamp。
A、2002杯/平头：
此支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin长比其他支架要短10mm左右。
Pin间距为2.28mm。
B、2003杯/平头：
一般用来做Φ5以上的Lamp，外露Pin长为+29mm、-27mm。
Pin间距为2.54mm。
C、2004杯/平头：
用来做Φ3左右的Lamp，Pin长与间距同2003支架。
D、2004LD/DD：
用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。
F、2006：
两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。
E、2009：
用来做双手的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支Pin脚控制极性。
G、2009-8/3009：
用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支Pin脚。
二、银胶
银胶的作用：
固定晶片和导电的作用。
银胶的主要成份：
银粉占75%-80%、EPOXY〔环氧树脂〕占10%-15%、添加剂占5%-10%.
银胶的使用：
冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后。
银粉会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。
三、晶片〔Chip〕
图2-2发光二极管和LED芯片的结构组成
〔1〕、晶片的作用：
晶片是LEDLamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。
〔2〕、晶片的组成：
晶片是采用磷化镓〔Gap〕、镓铝砷〔GaAlAs〕或砷化镓〔GaAs〕、氮化镓〔GaN〕等材料组成，其内部结构具有单向导电性。
〔3〕、晶片的结构：
焊单线正极性〔P/N结构〕晶片，双线晶片。
晶片的尺寸单位：
mil晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。
其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。
〔4〕、晶片的发光颜色：
晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：
暗红色〔700nm〕、深红色〔640-660nm〕、红色〔615-635nm〕、黄色〔580-595nm〕、蓝色〔450-480nm〕、紫色〔380-430nm〕。
白光和分红光是一种光的混合效果，最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。
〔5〕、晶片的主要技术参数：
A、晶片的伏安图性图
B、顺向电流〔IF〕：
晶片在试驾一定电压后，所产生的正向导通电流。
IF的大小，与顺向电压的大小有关。
晶片的工作电流在10-20mA左右。
C、顺向电压〔VF〕：
施加在晶片两端，是晶片正向导通的电压。
此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。
VF过大，会使晶片被击穿。
D、逆向电压〔VR〕：
施加在晶片上的反向电压。
E、逆向电流〔IR〕：
是指晶片在施加反向电压后，所产生的一个漏电流。
此电流越小越好。
因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。
F、亮度〔IV〕：
指光源的明亮程度。
单位换算：
1cd=1000mcd
G、波长：
反映晶片的发光颜色。
不同波长的晶片其发光颜色也就不同。
单位：
nm。
H、光：
是电磁波的一种。
波长在0.1mm-10nm之间的电磁波称为光。
光可分为：
波长大于0.1mm称为电波；760nm-0.1nm叫红外光；380nm-760nm叫可见光；10nm-380nm叫紫外光；波长小于10nm的是X光。
四、金线：
金线的作用：
连接晶片PAD〔焊垫〕与支架，并使其能够导通。
金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：
0.9mil、1.0mil、1.1mil等。
五、环氧树脂：
环氧树脂的作用：
保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度与角度；使Lamp成形。
封装树脂包括：
A胶（主剂）、B胶〔硬化剂〕、DP〔扩散剂〕、CP〔着色剂〕、四局部组成。
其主要成份为环氧树脂〔EpoxyResin〕、算无水物〔Anhydride〕、高光扩散性填料〔Lightdiffusion〕与热安定性染料〔dye〕。
六、模条
模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。
支架植得深浅是由模条的卡点上下所决定。
模条需放在干净与室温以下的环境中，否如此会影响产品外观不良。
LED灯珠分很多种类贴片的有RGB三色灯〔这灯珠可以通过调节随意变出不同的颜色〕、有纯色的〔红、绿、蓝、黄、白、3000K、2200K等〕。
普通的有灯珠按直径区分有5*5、5*9、5*4.4灯按发光角度又可分为15度、30度、45度、60度、90度、120度等。
图2-3各种LED灯珠
在不同的产品就要用不同的灯珠，灯珠的选用是很重要的，不同的灯珠有不同的亮度、不同的角度、不同的发光率。
做成产品后它能不能达到预期的效果所以选择灯珠可不是一件轻易的事情，要慎重考虑，还有灯珠由不同的厂家生产又有不同的效果，不同的厂家它做灯珠的工艺和发光的芯片是不一样的。
因为灯珠能不能达到寿命长，产品能不能在保修期3年内不坏，与灯珠的发挥有很大的影响。
2.1.3LED灯设计时注意的地方
LED灯在设计时，应该考虑灯是用在什么地方的，那里环境如何？
是户外呢？
还是室内？
这样才能设计出相应的灯具应付不同的环境。
例如设计户外灯具
（1）LED户外照明灯具忧郁工作环境比拟复杂受温度、紫外线、湿度、下雨天雨水、沙尘、化学气体等自然条件的影响，时间一长，就会导致LED光衰严重的问题。
所以在设计LED灯具的时候终上考虑这些外部环境因素对LED户外照明灯具的影响。
（2）户外LED灯具在散热材料选择方面应该注意的事项有：
外壳和散热器设计为一体，用来解决LED的发热问题，这种方式较好，一般选用铝或铝合金，铜材或铜合金，以与导热性良好的其它合金。
散热有空气对流散热，强风冷却散热和热管散热。
选择什么样的散热方式，对灯具设计的本钱有直接影响，应综合考虑，与设计产品配套选出最优方案。
灯罩的设计徐昂才也是至关重要，目前使用的透明有机玻璃，PC材料等。
传统的灯罩是透明的玻璃制品，终究选什么样的灯罩跟设计的产品档次定位有关，一般来说户外的灯具一般都用玻璃制品的，因为它的寿命和抗腐蚀能力是最强的，而塑料灯罩只能安装在室内，因为塑料灯罩会在恶劣的环境中受到很大的影响，例如沙尘，光照和雨水等因素使灯罩老化严重。
而且这灯罩难以清洁，使灯罩透明度减少影响光线输出。
（3）户外LED芯片的封装技术：
目前国内生产的LED灯具〔主要是路灯〕大都是采用1W的LED多个串，并联惊醒组装，这种方法热阻较先进封装技术的产品高，不容易造出高品质的灯具。
或者是采用30W、50W甚至更大的模组进展组装，以达到所需的功率，这些LED的封装材料有用环氧树脂封装，有用硅胶封装的。
二者的区别是：
环氧树脂封装耐温较差，时间久了易老化。
硅胶封装如此耐温较好，使用时应注意选择。
（4）散热器是LED灯具很关键的一个局部，它的形状、体积、散热外表积都要设计得恰到好处，散热器太小，LED灯工作温度太高，影响发光率和寿命，散热器太大，如此消耗材料多增加产品本钱和重量，使产品竞争力下降。
设计适宜的LED灯散热器至关重要。
第二节电路系统
电源可是LED灯的核心，因为它是控制LED灯具在额定电压内能不能稳定地工作达到寿命长的效果。
2.组成电路系统块的元器件：
（1）安规电容
在电路中起到降压、限流作用，容量越大的安规电容所流出的压就越大，即容量与输出电压成正比。
它按容量大小分为0.18uf、0.22uf、0.28uf等。
安规电容一般与两个1M电阻配合使用，电阻与电容是并联的，它的作用是帮电容放电。
图2-4安规电容
（2）整流桥堆
整流桥堆就是由两个或四个二极管组成的整流器件。
桥堆有半桥和全桥两种，半桥又有正半桥和负半桥两种，堆桥的文字符号为UR。
全桥由四只二极管组成，有四个引出脚。
两只二极管负极的连接点是全桥直流输出端的“正极〞，两只二极管正极的连接点是全桥直流输出端的“负极〞。
半桥由两只二极管组成，有三个引出脚。
正半桥两边的管脚是两个二极管的正极，即交流输入端；中间管脚是两个二极管的负极，即直流输出端的“正极〞。
负半桥两边的管脚上两个二极管的负极，即交流输入端；中间管脚是两个二极管的正极，即直流输出端的“负极〞。
一个正半桥和一个负半桥就可以组成一个全桥。
通常我们用的整流桥堆都是全桥的，因为它体积小那电源板就可以做的更小了，这样就可以节省很多空间了。
图2-5整流桥堆原理图
图2-6整流桥堆
〔3〕滤波电容
安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，我们把这种器件称其为滤波电容。
滤波电容具有电极性，我们称其为电解电容。
电解电容的一端为正极，另一端为负极，正极端连接在整流输出电路的正端，负极连接在电路的负端。
在所有需要将交流电转换为直流电的电路中，设置滤波电容会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。
滤波电容在电路中的符号一般用“C"表示，电容量越大，滤波性能越好。
为了获得更好的直流稳定系数，电容量一般选择在数百微法或数千微法以上。
如果做LED灯电源板里面的滤波电容一般用容量为10uf工作电压为250V的电解电容。
图2-7电解电容
图2-8贴片电容
〔4〕稳压管
稳压二极管（又叫齐纳二极管）是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。
此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
稳压管在反向击穿时，在一定的电流X围内〔或者说在一定功率损耗X围内〕，端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。
稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。
我们常用的稳压管是7805。
图2-97805稳压管
图2-10贴片稳压管
〔5〕电感器件
电感：
当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。
电感器的主要作用是对交流信号进展隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振。
我们制造电源板通常选用电感跟电容一起，形成滤波能力较强的LC滤波。
图2-11各种各样的电感
作为LED灯具的心脏----电源，它的设计每一步都要很小心的，例如它的稳定性够不够啊、它的输入电压能恒定吗？
等等。
如果是设计在120V或者220V的高压灯具，那么你就要装上能让电压可以控制在一定X围的安规电容了，有了它好似一夫当关万夫莫开似的。
如果只是做低压的产品12V或者15V的LED灯具，只要你装上稳压管、桥堆、和滤波电路的元件就可以了。
电源板的线路，例如做120V的产品那么，你要把电压降到自己适用的X围，如果用变压器的话它的体积太大不方便安装在LED灯具中，如果用安规电容就可以解决这问题，因为它体积小容易安装在LED灯具里面。
安规电容是和交流电源其中一条线串联的，而且它还要并联两个1M的电阻来帮它放电。
接着就轮到整流桥堆，整流桥堆是接在安规电容的后面，安规电容的一条线接在桥堆〔图2
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