光电器件及其应用课程设计报告

吉林建筑大学

电气与电子信息工程学院

光电器件及其应用课程设计报告

设计题目：Led在大学教室照明应用及节能效益分析

专业班级：信科121 学生姓名：

学号

指导教师：张玉红王超

设计时间：2015.6.29－2015.7.3

目录

第1章前言 (1)

第2章 LED发光原理 (3)

2.1 LED的结构及发光原理 (3)

2.2 LED光源特点 (4)

2.3 LED应用 (5)

第3章教学楼教室的照明现状分析与计算 (6)

3.1教学楼教室照明现状 (6)

3.2计算原理 (7)

3.3计算分析 (7)

第4章采用LED照明的节能分析和计算 (8)

4.1 LED基本信息 (8)

4.2 计算分析 (10)

第5章总结 (13)

参考文献 (14)

第一章前言

随着产业的发展，我国的电光源产品种类得到快速发展，普通白炽灯、卤素灯、直管荧光灯、紧凑型节能灯、高压气体放电灯、汽车灯、LED 光源及各类特种光源应有尽有，白炽灯、卤素灯、直管荧光灯及紧凑型节能灯产量更是在世界名列前茅，技术水平也达到国际先进水平。照明灯具企业在近年来也得到快速发展，形成了一批有品牌、有规模的照明灯具生产企业。

1999 年到2009 年作为中国照明产业快速成长的黄金十年，产业规模得到最大化扩张，到2010 年，全国照明行业企业有一万多家（照明电器生产企业5,000多家，灯具生产企业约3,000 家，电光源企业约1,000 家，其余为电器附件、局。LED 市场的主要市场竞争者为欧司朗、日亚、科锐、飞利浦、三星、松下、首尔半导体、亿光电子、LG 和丰田，他们垄断了高端产品市场，他们利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事高附加价值产品的生产。除飞利浦与欧司朗一直专注于照明行业，LED 照明市场的其他竞争者从照明市场或LED的细分市场进入整个照明市场，如三星与LG 从LED 显示屏进入LED 照明市场，而一些包括鸿海在内的半导体制造工厂也进行扩张进入LED 照明市场，参与市场竞争。

我国的照明工程建设和设计体制尚不健全，照明设计师的社会地位也有待提高。现在已有不少专业的照明设计师借鉴外国经验，独立开办照明设计咨询公司，力图摆脱照明产品和照明工程利益的影响，专心致力于照明设计精品的创作，这有利于照明事业的发展。虽然目前中国照明设计行业确实是存在很多问题，但只要针对这些问题有的放矢，一一解决，未来一定可以走得更远。

除了工程建设和设计体制尚未健全之外，国内目前对这方面的教育体系也不尽如人意。照明设计行业目前很不规范，没有权威的职业认证，没有系统的教育体系，这是最突出的问题。没有权威的职业认证，导致从业人员良莠不齐，鱼龙混杂，不仅不利于设计师自身发展，给客户也带来了很大的困扰。没有系统的教育体系，直接影响到从业人员的职业素养问题。

目前中国虽然被称为“世界工厂”，能够生产出很多的产品，但好的设计并不体现在数量上，而是体现在品质、技术水平上的。据统计，目前照明行业产值占建筑装饰行业总产值的10%左右。纵观目前国内的情况，室外城市景观照明大部分由照明工程公司来做，室内大部分则由照明灯具销售方来做，这样的情况往往会带来一些弊病，例如导致照明设计有所偏离，不是根据实际需要而去设计。国外的情况则不一样，他们的照明设计是独立的。实际上专业照明设计师是为业主服务的，为装饰设计师服务的，他们考虑的是应该只是有怎样的效果，应该用什么档次的灯，应该用什么特点的灯，这样才能不断保证照明设计水平的提高。所以国内外的差距，既有技术方面的原因，也有目前国内体制方面的原因。

国外照明设计行业发展要早于中国很多年，因此市场相对成熟和稳定。国外的照明设计较之中国，水平更高，技术更全面，操作更规范，这就保证了最终的设计质量。照明设计在国外能得到很多业主和建筑师、室内设计师的认同与重视，因此照明设计师具有合理的话语权和能够被给予足够的尊重，这保证了设计师的想法和意见能够得到贯彻和实施。

总体来说，我国照明设计行业前景还是非常广阔的。设计师要适当学习与借鉴，针对实际问题找出根源，结合所学理论，从根源上缩短差距。

研究数据显示，2010年全球LED照明应用产品市场规模为40.0亿美元，同比增长40.4%，增长迅速。预计2014年，全球LED照明应用产品市场规模将达到625.0亿美元，为2010年的15倍，年复合增长率达到73.3%。

“十二五”期间，LED光源技术被我国列入战略性新兴产业。权威数据显示，2010年我国LED产值规模为1260亿元，2011年预计将有50%的增长，达到1800亿元左右，LED行业的投资规模将达到650亿元。不少厂家开始专注于LED照明产品的生产，也有许多传统照明企业走上了转型之路。更为值得关注的是，非LED企业跨入LED行业所进行的投资已经成为LED产业获得投资的重要部分，此类项目占全部投资项目的比例超过45%，金额超过全部投资金额的65%。

在一系列的数字背后，是产业界和政策方携手推动市场繁荣的动力，未来LED照明产业的蓬勃发展已然势不可挡。业内专家分析，相对于传统灯饰产品而言，在未来一定时期，LED产业发展格局将保持平稳，仍以渠道为主，这是整个灯饰行业发展的必然趋势。当一个行业发展到一定阶段，洗牌是行业提升的必经过程。对于一个企业来说也如此，发展到一定规模的企业再往上走就会遇到各种各样的瓶颈，亟待突破的瓶颈包括产品门类、规格、价格、品牌、营销模式、渠道建设等。

表面上，LED照明产业发展得热火朝天，然而，繁荣背后的隐忧，也随之浮出水面。作为世界最大的照明市场，我国LED上中游技术环节薄弱成为了一块硬伤。《2010年高亮度LED市场回顾与展望》报告中指出，2010年中国LED制造商占全球高亮度LED市场总产值仅2%的比例，且相关技术仍落后国际大厂约三到五年。我国LED芯片及器件产品大多集中在小功率、中低档领域。国产芯片尽管售价仅为进口芯片的1/10，但占国内市场不足10%。除此之外，高亮度功率型LED芯片、器件80%以上均依赖进口。外延生产用关键设备MOCVD和外延片衬底、封装用的高性能硅胶、环氧树脂、荧光粉等原材料基本也要依靠进口。

在整个产业链中，上游的利润回报最高。而上游的核心专利技术集中在日本Nichia(日亚)、Cree(美国科锐)、Osram(德国欧司朗)等为数不多的海外巨头手中。在外延片和芯片领域，美国和日本企业也处于垄断优势，拿走了60%以上的利润。大部分中国LED企业，只能在产业链末端的封装领域，争夺余下不到

40%的利润，大量LED企业依靠政府市政工程生存，凭借补贴盈利。

目前，LED照明在城市照明建设、照明装饰酒店等领域越来越普及。LED的发展步伐虽然明显加快，但由于缺乏相关的标准规范，有专家担心其市场会因为产品的质量问题而变得混乱。另据相关媒体报道，有个别地方的LED装饰灯因为光衰严重，已被拆卸。

此外，价格也一度是企业“卖”LED照明时最头疼的问题。在某灯具批发城，一位经销商向记者介绍，“我们一般都不爱卖LED灯。因为LED的价格实在和节能灯、白炽灯差距太大了。比如，3W的LED灯售价20元，7W的就要90元，而节能灯只要10元左右，白炽灯更只需要1元钱;且在寻常百姓看来，一盏两盏LED灯的节能效果实在无关紧要。”

第二章LED发光原理

2.1 LED的结构及发光原理

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，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，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），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，光的强弱与电流有关。

2.1.1二极管应用

二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中，额外的原子改变电平衡，不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。带额外电子的半导体叫做N型半导体，由于它带有额外负电粒子，所以在N型半导体材料中，自由电子是从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体，由于带有正电粒子。电子可以从另一个电子空穴跳向另一个电子空穴，从从负电区域向正电区域流动。

因此，电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N 型半导体物质与P型半导体物质结合，每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过渡层之间的汇合处从N 型半导体流向P型半导体，从而形成一个损耗区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态--所有的这些“电子空穴”都会被填满，所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。

2.1.2发光原理

光是能量的一种形式，一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子，是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。在原子中，电子在原子的四周围以轨道形式移动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。

通常来说，有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。当电子从一个更低的轨道跳到一个更高的轨道，能量水平就增高，反过来，当从更高轨函数跌落到更低的轨函数里时电子就会释放能量。能量是以光子形式释放出来的。更高能量下降释放更高能量的光子，它的特点在于它的高频率。

自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数，所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的，当二极管是由某种物质组成的时候，你只是可以看见光子。在标准硅二极管的原子，比如说，当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果，由于电子频率这么低的情况下人的眼睛是无法看得到的。

可见光发光二极管，比如用在数字显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的频率，换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极管都发出光时，大多数都不是很有效的。在普通二极管里，半导体材料本身吸引大量的光能而结束。发光二极管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。

2.1.3 LED光源特点

1. 电压：

LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，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。

2. 效能：

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

3. 适用性：

很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4. 稳定性：

10万小时，光衰为初始的50%。

5. 响应时间：

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

6. 对环境污染：

无有害金属汞。

7. 颜色：

改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。

2.2 LED应用

1.显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏，全国共有100 多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED 信号灯既节能，可靠性又高。

2.汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987年，我国开始在汽车上安装LED高位刹车灯。由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故。

3.LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。LED 是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10 只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20 只LED器件。

4.LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。随着LED散热技术的改进，LED光源替代白炽灯和荧光灯甚至是碘钨灯、高压钠灯等大功率光源的替代趋势已从局部应用领域开始发展。

5.其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍, 该 LED灯具(5张)公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3 亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。

6.家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯。

7.led广告宣传车，由LED屏作为信息输出设备，移动车身作为重体的广告设备，自身可以变换位置，一般自带发电机、音响、电脑等设备，属于广告车中的一种。

第三章教学楼教室的照明现状分析与计算

3.1 教学楼教室照明现状

1.走访教学楼C区教室，取10个小教室观察。教学楼C区小教室内采用格栅灯，教室面积大约在40㎡。

2.采用格栅灯信息

教室内采用3×20W隔栅灯共16套。

格栅灯:一种照明灯具，适合安装在有吊顶的写字间。光源一般是日光灯管。分为嵌入式和吸顶式。底盘采用优质冷轧板，表面采用磷化喷塑工艺处理，防腐性能好，不易磨损、褪色。所有塑料配件均采用阻燃材料。

产品将电子与电感镇流器完美整合，借助高功率因数、低功耗优质电子镇流器的强力支持采用国际最先进的稀土三基色荧光光源，由光学研究实验室为该产品进行照明参数的精确配比，使其光效得以提高20%以上，省电高达35%-50%以上，并具备了更长的使用寿命、更便捷的安装方式等特性。

并具有如下特点

（1）节省电：节电率为45-75%，降低照明用电的总电量。

（2）电流低：电流减少了70%，提高了贵公司照明线路的安全性。

（3）光色好：光色柔和显色性好、不失真。

（4）温度低：温度低并且恒温，避免事故发生率，有效为空调节能。

（5）无闪烁：产品可在160V-250V电压下正常工作，不闪烁保护眼睛。

（6）无噪音：启动和工作时没有噪音，提供安静的环境。

光照强度是指光照的强弱,以单位面积上所接受可见光的能量来量度。简称照度，单位勒克斯（Lux或Lx）。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。流明是光通量的单位。发光强度为1烛光的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。

3.2 计算原理

平均照度(Eav)=光源总光通量(N×Ф)×利用系数*维护系数/区域面积(㎡)

(适用于室内或体育场的照明计算) 利用系数(CU)：一般室内取0.4，体育取0.3；

维护系数(MF)：一般取0.7～0.8；

3.3 计算分析

一间教室室内照明：40平米房间，使用3×20W隔栅灯16套

平均照度=N×Ф×CU×MF/面积=(2500×3×16)×0.4×0.8÷40 =960Lux

一间教室的平均照度大约在1000Lux左右。

照度分布图

110 Lux 1m

34 Lux

2m 16 Lux 3m

光束角 140度

图1 格栅灯照度图

教室内格栅灯分布图

图2 教室内格栅灯分布图

图2中教室为5×8平方米，图中1为窗户，2为黑板，3为门，4为3×20W格栅灯共16套。

（1）市场价格平均每盏灯55人民币，一个教室为16盏，本次采样估计取10个教室。

灯的购买价格=55×16×10=8800 RMB

（2）20W节能灯1度电可以照50小时，所以1小时是0.02度

假设一个教室只有早7点到晚9点照明，一天共14小时在照明。

一间教室的用电量=0.02×14×3×16=13.44 kwh

10间教室的用电量=13.44×10=134.4 kwh

一度电为0.6元，所以一天10间教室支出电费为134.4×0.6=80.64 RMB

第四章采用LED照明的节能分析和计算

4.1 LED基本信息

假设用飞利浦8-20W/LED灯管。此LED灯规格如下：

类型：LED紫光灯

供电电压：220V

功率：20W

光通量：1800LM

寿命：30000H

颜色：6500/4000/3000K

套管材质：PC

LED颜色：6500/4000/3000K

用途：照明工业

型号：Essential LED T8灯管

外径尺寸：T8mm

灯光颜色：白

材质：QT

封装工艺：集成式

色温：3000/4000/6500K

产品说明：

Essential LED T8灯管是飞利浦LED光源产品线中一款高性价比产品，采用前沿LED芯片与技术，与传充T8荧光灯系列比较，可节能50%以上，且双倍于荧光灯寿命，大幅降低维护成本，其光线舒适自然，提升客户绿色环保形象。

产品特点：

（1）采用LumiLEDs5630芯片及高质量电子元件

（2）显色性高达80，真实还原色彩

（3）内涂高反射材料，进一步提高光效

（4）低耗能节能50%以上

（5）无汞无玻璃无破碎和环境污染风险

4.2 计算与分析

平均照度(Eav)=光源总光通量(N×Ф)×利用系数×维护系数/区域面积(㎡) (适用于室内或体育场的照明计算) 利用系数(CU)：一般室内取0.4，体育取0.3；

维护系数(MF)：一般取0.7～0.8；

一间教室室内照明：40平米房间

当使用格栅灯时一间教室的平均照度为960Lux

根据公式求所用LED灯的数量。

平均照度=N×Ф×CU×MF/面积=(18000×N)×0.4×0.8÷40 =960Lux

N=8 所以一间教室需要8盏LED灯能和教室现有照度相同。

照度分布图

2m

4m 18×10M 6m 24×13M 8m 32×17M 10m

光斑面积光束角21.22度高度

图3 飞利浦8-20WLED照度图

教室LED灯分布图

图4教室内LED灯分布图

图4中教室为5×8平方米，图中1为窗户，2为黑板，3为门，4为20WLED灯8盏。

（1）市场价格平均每盏LED灯120人民币，一个教室为8盏，本次采样估计取10个教室。

灯的购买价格=120×8×10=9600 RMB

（2）20W节能灯1度电可以照50小时，所以1小时是0.02度

假设一个教室只有早7点到晚9点照明，一天共14小时在照明。

一间教室的用电量=0.02×14×8=2.24 kw.h

10间教室的用电量=2.24×10=22.4 kw.h

一度电为0.6元，所以一天10间教室支出电费为22.4×0.6=13.44 RMB

第五章总结

半导体照明作为新型高效固态光源，具有长寿命、易控制、安全、绿色、环保等显著优点，而其耗电量只有普通照明的1/10。中国工程院院士、中国科学院半导体研究所研究员陈良惠为此算了一笔账：“只要目前1/3的白炽灯被半导体灯所取代，每年就可为国家节省用电1000亿度，这相当于节省一个三峡工程的年发电量（总投资1800亿元的三峡工程，年发电量为846.8亿度）。”可见，推广半导体照明将是节约能源的有效手段之一。另据建设部的统计数据，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称）的年用电量约占全国总发电量的4－5% ，2007年我国总发电量为16758.2亿度，城市照明年耗电约为612.8亿度，风光互补电源如果能被10%的户外照明灯作为供电源，就能节约用电612.8亿度，相当节约 2451.2万吨标准煤。

对于本次教学楼10间教室实地检测，通过之前的计算可知：

LED灯的购买价格=120×8×10=9600 RMB

一天10间教室支出电费为22.4×0.6=13.44 RMB

格栅灯的购买价格=55×16×10=8800 RMB

一天10间教室支出电费为134.4×0.6=80.64 RMB

设所需X天使格栅灯采购价和电费与LED灯采购价和电费相同，则有：

9600+13.44×X=8800+80.64×X

X=14

所以当假设教室只在早上7点到晚上9点照明时，10间教室采用LED灯时，需要14天与格栅灯的采购价及电费相同。则从14天之后，采用LED灯的教室将开始节约电，并且每10间教室每天节约电费达到67元。

由此可见，LED灯的使用确实可以带来经济效益。虽然一开始LED灯的价格要比格栅灯或者节能灯，白炽灯高，在教室同等照度的情况下使用LED灯的花费要高。但是通过计算可以发现经过两周后，LED灯就会带来可观的节约费用。

并且LED灯对环保也有着重要作用。通过将LED路灯与常规路灯进行节能效益分析比较可知：10000套LED路灯，一年可节电584万kw.h。按火力发电标准煤耗400g/kw.h进行计算，可为国家节约标准煤2336吨。可减少排污量：二氧化硫46.7吨；二氧化氮34.93吨；二氧化碳7300吨；一氧化碳0.67吨；杂质和粉末61.4吨。

所以LED的使用和普及对我国的持续发展，节能减排有着深远意义。本次设计也让我充分了解到LED技术的实用性和优势。