电气信息工程丛书 LED灯具设计与案例详解 房海明编 2014.pdf

电气信息工程丛书 LED 灯具设计与案例详解 房海明 编著 副 机 械 工 业 出 版 社 本书是为适应我国 LED 照明技术推广应用的需要，快速提高广大照明技术人员的设计能力和效率而编写的。本书共分 10 章，内容包括 LED 照明产业的发展、LED 芯片封装知识、灯具的设计原则、相关标准和检测、风光互补 LED 路灯设计及市电路灯设计、LED 防爆灯设计、LED 投光灯设计、LED 球泡灯设计、LED 灯具模拟分析、LED 照明产品认证、LED 工程案例分析和附录“LED 技术问答”。本书内容以灯具设计和工程案例解析为主，同时也介绍了有关 LED照明的基础知识。本书既适合从事 LED 照明设计和应用的工程技术人员学习和参考，也适合高等院校相关专业的师生参考使用。图书在版编目（CIP）数据 LED灯具设计与案例详解/房海明编著.北京：机械工业出版社，2013.12（电气信息工程丛书）ISBN 978-7-111-45950-7.L .房 .发光二极管灯具设计 .TN383 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 032674 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）责任编辑：尚 晨 责任印制：乔 宇李 研 北京铭成印刷有限公司印刷 2014 年 3 月第 1 版第 1 次印刷 184mm260mm15 印张368 千字 00013000 册 标准书号：ISBN 978-7-111-45950-7 定价：39.80 元 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换 电话服务 网络服务 社 服 务 中 心：（010）88361066 教 材 网：http：/ 销 售 一 部：（010）68326294 机工官网：http：/ 销 售 二 部：（010）88379649 机工官博：http：/ 读者购书热线：（010）88379203 封面无防伪标均为盗版 III 前 言 随着国家对绿色节能照明技术的大力提倡，近年来 LED 照明技术得到了飞速发展。市场需求正在驱动 LED 向家居照明、背光源和景观灯等领域发展。LED 即发光二极管，是一种可将电能转换为光能的半导体发光器件，属于固态光源。在通用照明领域，LED 照明灯具具有体积小、重量轻、节能、寿命长、容易控制及适应各种恶劣环境等优点，是典型的绿色照明光源。随着大功率白光 LED 的研发成功，使它在照明领域的应用更加广泛。本书共分 10 章，内容包括 LED 照明产业的发展、LED 芯片封装知识、灯具的设计原则、相关标准和检测、风光互补 LED 路灯设计及市电路灯设计、LED 防爆灯设计、LED 投光灯设计、LED 球泡灯设计、LED 灯具模拟分析、LED 照明产品认证、LED 工程案例分析和附录“LED 技术问答”。本书内容以设计和工程案例解析为主，同时也介绍了有关 LED照明的基础知识。本书在编写过程中得到了国内外专业学者和同行的大力支持，在此表示真诚的感谢！本书由房海明编著，特别感谢为本书提供技术支持的肖旭华、文林、白运辉、罗强、邵洪飞、曾聪等同志。由于作者水平有限，书中难免存在疏漏或错误之处，诚望各位读者提出宝贵意见。作者的电子邮箱：。编 者 IV目 录 前言 第 1 章 LED 照明产业的发展 1 1.1 LED 技术发展经历的几个阶段 1 1.2 我国 LED 照明产业的发展概况 3 1.3 LED 灯具设计趋势 7 第 2 章 LED 芯片封装知识 9 2.1 LED 基础知识 9 2.1.1 LED 光学参数介绍 9 2.1.2 LED 白光的发光原理 10 2.1.3 LED 的分类 12 2.2 LED 芯片基础知识 15 2.2.1 LED 芯片的概念 15 2.2.2 LED 芯片制作流程 16 2.2.3 LED 外延生长的概念和原理 21 2.3 LED 封装知识 22 2.3.1 LED 封装定义 22 2.3.2 LED 封装的分类 22 2.3.3 LED 封装的工艺流程介绍 26 第 3 章 灯具的设计原则、相关标准和检测 29 3.1 LED 灯具设计原则 29 3.2 LED 灯具设计程序 29 3.3 半导体照明电子行业标准 34 3.3.1 世界各国的 LED 行业标准 35 3.3.2 我国的 LED 行业标准 39 3.4 LED 灯具的检测设备 41 第 4 章 风光互补 LED 路灯设计及市电路灯设计 45 4.1 风光互补 LED 路灯设计 45 4.2 风光互补 LED 路灯介绍 47 4.3 风光互补 LED 路灯蓄能技术 49 4.3.1 蓄电池的分类及技术指标 49 4.3.2 风光互补 LED 路灯蓄电池组的匹配设计 50 4.3.3 蓄电池及其负载的匹配 51 4.4 小型风力发电机的特性 52 4.5 风光互补 LED 路灯光源选择 56 V 4.6 太阳能电池板的选择 61 4.6.1 太阳能电池板介绍 61 4.6.2 硅太阳能电池分类 62 4.7 风光互补 LED 路灯灯罩材质的选择 66 4.8 太阳能电池组件支架 67 4.9 风光互补 LED 路灯控制器 68 4.10 太阳能 LED 路灯案例分析 71 4.10.1 太阳能 LED 路灯设计案例一 71 4.10.2 太阳能 LED 路灯设计案例二 73 4.10.3 实拍风光互补 LED 路灯 74 4.11 风光互补 LED 路灯选材 75 4.12 全国太阳辐射总量分布 76 4.13 太阳能 LED 路灯安装 76 4.14 市电 LED 路灯设计 81 4.14.1 LED 路灯设计的前提条件 81 4.14.2 灯具的维护系数 82 4.14.3 LED 路灯的电子部分设计 84 4.15 LED 路灯的结构设计 88 4.16 LED 路灯外观设计 96 4.17 LED 路灯设计时恒流源的选择 98 4.18 LED 路灯的安装 101 第 5 章 LED 防爆灯设计 103 5.1 防爆概述 103 5.1.1 爆炸的定义 103 5.1.2 燃烧与爆炸的充分必要条件 103 5.2 防爆电气设备分类及温度分组 103 5.3 相关标准及适用设备环境 104 5.3.1 规定设备适用环境 104 5.3.2 防爆标志 104 5.3.3 危险区域的等级分类 106 5.4 防爆产品设计要求 106 5.4.1 外壳要求 106 5.4.2 外壳防护等级 107 5.4.3 密封及接合面要求 107 5.4.4 电缆引入要求 110 5.4.5 紧固件要求 111 5.4.6 透明件要求 112 5.4.7 铭牌及外壳标示要求 112 5.5 LED 防爆灯简介 113 VI5.5.1 防爆电气产品的分类 114 5.5.2 防爆产品的确定 115 5.5.3 防爆材质的确定 115 5.6 防爆设计注意事项 117 第 6 章 LED 投光灯设计 119 6.1 投光灯的分类 119 6.1.1 探照灯 119 6.1.2 聚光灯 120 6.1.3 泛光灯 121 6.2 传统投光灯的结构 122 6.3 LED 投光灯 126 6.3.1 LED 投光灯的类型 126 6.3.2 LED 投光灯的结构 128 6.4 LED 投光灯设计实例 133 第 7 章 LED 球泡灯设计 137 7.1 LED 球泡灯及其优点 137 7.2 LED 球泡灯的应用特点 138 7.3 LED 球泡灯的主要组成部分 138 7.4 LED 球泡灯的结构设计及散热设计 141 7.4.1 结构设计 141 7.4.2 散热模拟 144 7.4.3 电源要求 145 7.5 LED 球泡灯的一般生产流程 146 7.6 LED 球泡灯设计须注意的问题和设计技巧 151 7.7 LED 球泡灯目前所存在的问题 152 7.8 LED 球泡灯的编号方法 152 7.9 LED 球泡灯标准及标识 153 第 8 章 LED 灯具模拟分析 159 8.1 LED 灯具光学设计简介 159 8.2 LED 灯具光学软件设计分析 160 8.3 LED 灯具散热模拟分析介绍 162 8.4 LED 灯具散热软件设计分析 162 第 9 章 LED 照明产品认证 173 9.1 产品认证的意义 173 9.2 欧盟认证内容 175 9.2.1 CE 认证 175 9.2.2 ENEC 认证 177 9.2.3 CB 认证 178 9.2.4 GS 认证 180 VII 9.3 美国认证内容 181 9.3.1 美国能源之星认证 181 9.3.2 UL 认证 181 9.3.3 FCC 认证 183 9.3.4 ETL 认证 184 9.4 日本认证内容 185 9.5 澳大利亚认证内容 185 9.6 中国认证内容 186 9.6.1 3C 认证 186 9.6.2 CQC 认证 186 第 10 章 LED 工程案例分析 188 10.1 深圳商场 LED 照明改造案例 188 10.2 广州植物园 LED 照明改造项目 193 10.3 深圳版画原创基地 LED 照明改造 196 10.4 深圳超市 LED 照明改造工程案例 198 10.5 深圳隧道 LED 改造工程案例分析 202 10.6 城市道路 LED 改造工程案例分析 206 10.7 龙潭度假区节能亮化改造工程案例 214 附录 LED 技术问答 220 参考文献 231 1 第 1 章 LED 照明产业的发展 随着全球经济的持续发展，资源短缺和环境污染问题日益凸现。世界各国的节能环保意识正逐步增强，节能减排、环境保护已经成为未来全球面临的重大问题。在照明领域，近年各种新型照明技术层出不穷，特别是高亮度白光 LED 的问世，由于它具有发光效率高、节电效果好，体积小并且无污染、寿命长的特点，已成为目前照明市场上的主流产品之一。1.1 LED 技术发展经历的几个阶段 1.基础研究阶段 1907 年，HenryJosephRound 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象，不过当时由于其发出的光线太暗，不适合实际应用，所以研究被摒弃了。1936 年，GeorgeDestiau 出版了一份关于硫化锌粉末发射光的报告，报告提出了电致发光现象，从而出现了“电致发光”这个术语。20 世纪 50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓，发明了第一个具有现代意义的 LED，并于 60 年代面世。但在早期的实验中，LED 需要放置在液化氮里，环境条件要求比较苛刻，所以需要进一步的研究以便能使其在室温下正常工作。1962 年，GE、Monsanto 和 IBM 的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此发光二极管步入了商业化发展进程。1965 年，全球第一款商业化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为 45 美元。其后不久，Monsanto 和惠普公司推出了用 GaAsP 材料制作的商业化红色 LED。这种 LED 的效率为大约 0.1lm/W，比一般的 60 至 100 瓦白炽灯的15lm/W 要低上 100 多倍。1968 年，LED 的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使 GaAsP 器件的效率达到了1lm/W，并且能够发出红光、橙光和黄光。2.显示应用阶段 到了 20 世纪 70 年代，磷化镓被用于制作 LED。为了改善发光效果，LED 发光材质不断的得到发展，70 年代末期，LED 光源采用双层磷化镓芯片即一个红色，一个绿色，能够发出黄色光。与此同时，苏联科学家利用金刚砂制造出能发出黄光的 LED，尽管它不如欧洲的 LED 高效，但稳定性和寿命要好很多。随后，业界又推出了具有相同效率的 GaP 绿色芯片 LED。由于 LED 器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED 的价格直线下跌。在那个时代LED 的主要市场是数字与文字显示。其中，日本日亚化学公司对 LED