LED照明应用技术

本书主要介绍LED照明的各项实用应用技术，主要包括：LED照明光学设计技术、LED照明散热设计技术、LED照明驱动设计技术、LED智能照明控制技术、LED照明设计技术、LED照明的其他技术、LED灯具测量技术及LED照明的应用。全书重基础、宽口径、多原理、少工艺，注重原理与机制的阐述，图文并茂、深入浅出。

广东省照明学会副理事长；华南理工大学光电信息科学与工程专业负责人。近年来，主持承担了国家科技部863计划重大项目、广东省科技计划工业攻关项目、广东省科技计划国际合作项目、广东省粤港澳招标项目、广东省战略新兴产业LED专项等10余项科研项目。

目  录
第1章  概论 1
1.1  LED照明发展历程 1
1.2  LED照明产业链简介 2
1.2.1  LED材料体系 2
1.2.2  衬底的选择 3
1.2.3  LED芯片的制造 4
1.2.4  芯片的封装 5
1.2.5  LED光源的散热设计 5
1.2.6  LED光源的二次光学设计 6
1.2.7  LED光源的驱动和控制 6
1.3  LED照明国内外发展现状和研究进展 6
1.3.1  LED照明国内外发展现状 7
1.3.2  LED照明技术进展 8
参考文献 10
第2章  LED照明光学设计技术 11
2.1  概述 11
2.1.1  LED照明光学设计 11
2.1.2  一些重要的光度学术语 12
2.1.3  非成像光学定义 14
2.1.4  LED照明光学材料简介 15
2.2  LED照明光学设计 16
2.2.1  一次光学设计 16
2.2.2  透镜封装的光学系统具体分析 16
2.3  二次光学设计 18
2.3.1  概述 18
2.3.2  LED二次光学设计方法 18
2.3.3  二次光学设计的发展趋势 19
2.3.4  设计流程 19
2.3.5  二次光学设计的准备 20
2.4  自由曲面光学元件设计 22
2.4.1  花生米透镜 22
2.4.2  球型折射透镜 25
2.5  菲涅尔透镜设计 27
2.6  LED照明光学设计软件 30
2.6.1  Tracepro简介 30
2.6.2  Tracepro应用举例 31
本章小结 33
习题 33
参考文献 33
第3章  LED照明散热设计技术 34
3.1  LED散热基础知识 34
3.1.1  LED散热设计的必要性 34
3.1.2  热量传递的三种基本方式 34
3.1.3  散热设计术语 38
3.2  热量对LED的危害分析 39
3.2.1  产生LED结温的原因 39
3.2.2  LED结温对性能的影响 40
3.2.3  降低LED结温的途径 43
3.2.4  LED结温计算实例 44
3.3  LED散热途径分析 45
3.3.1  LED散热途径 45
3.3.2  封装散热 46
3.4  LED散热分析模型 52
3.4.1  发光二极管的热阻 52
3.4.2  基于统计的常用热阻模型 58
3.4.3  基于热传导能量方程的热阻模型的建立 62
3.4.4  测量、计算热阻的意义 67
3.5  LED散热仿真软件 67
3.5.1  基于ANSYS有限元分析软件的LED热模拟 68
3.5.2  基于CFD仿真软件的LED热模拟 74
3.6  LED散热材料的选择 77
3.6.1  散热材料的选择 77
3.6.2  散热材料基板类型的选择 78
3.6.3  散热片的选择与设计 81
3.7  LED散热设计过程 90
3.7.1  LED散热设计流程 90
3.7.2  散热器材料的影响 92
3.7.3  有效散热面积的影响 93
3.7.4  生热率的影响 94
3.7.5  金属基板的影响 95
3.7.6  封装填充材料的影响 97
3.7.7  对流条件的影响 98
3.7.8  辐射 98
3.8  LED新型散热技术 103
3.8.1  新型散热材料 103
3.8.2  散热新技术 109
本章小结 116
习题 116
参考文献 117
第4章  LED照明驱动设计技术 118
4.1  LED驱动电源概述 118
4.1.1  LED驱动电源的特点 118
4.1.2  开关电源的技术指标及术语 119
4.2  LED驱动电源分类 121
4.2.1  LED驱动电源按驱动方式分类 121
4.2.2  LED驱动电源按是否开关型分类 122
4.2.3  隔离型LED开关电源 125
4.3  LED恒流驱动电源单元电路设计 127
4.3.1  交流输入LED恒流驱动电源的基本构成 128
4.3.2  EMI滤波器 128
4.3.3  整流桥的选择方法 131
4.3.4  漏极钳位保护电路 132
4.3.5  反激式LED电源的高频变压器设计 134
4.3.6  正激式变压器设计 136
4.3.7  输出整流管选择方法 138
4.4  带功率因数校正（PFC）的LED照明驱动电源 138
4.4.1  功率因数基本定义及分类 139
4.4.2  无源功率因数校正 140
4.4.3  有源功率因数校正 144
4.5  LED照明驱动电源设计举例 147
4.5.1  设计目标 147
4.5.2  设计背景 147
4.5.3  主要设计内容 148
参考文献 154
第5章  LED智能照明控制技术 155
5.1  概述 155
5.1.1  智能照明控制的基本概念 155
5.1.2  LED智能照明控制技术 156
5.2  LED调光技术 156
5.2.1  LED调光工作原理及特点 157
5.2.2  模拟调光 159
5.2.3  相控调光 160
5.2.4  PWM调光 163
5.3  LED智能照明控制系统 165
5.3.1  照明控制的发展 165
5.3.2  LED智能照明控制系统的基本特征 166
5.3.3  LED智能照明控制系统的组成 167
5.3.4  LED智能照明控制策略 171
5.3.5  LED智能照明控制方式 174
5.4  LED智能照明控制系统中的网络技术 176
5.4.1  LED照明控制系统网络概述 176
5.4.2  LED照明控制系统中的有线网络 180
5.4.3  照明控制系统中的无线网络 191
5.5  LED智能照明控制系统的设计 197
5.5.1  相关设计规范 198
5.5.2  设计过程和步骤 200
5.5.3  系统的选择 204
5.5.4  动静传感器的选择 205
5.6  LED智能照明控制系统的工程应用 208
5.6.1  LED室内情景照明系统设计 208
5.6.2  LED路灯远程监控系统设计实例 211
5.7  LED照明控制的发展 216
5.7.1  对未来LED智能照明的设想 216
5.7.2  LED智能照明控制的发展趋势 217
参考文献 220
第6章  LED照明设计技术 221
6.1  LED照明应用要求 221
6.1.1  功能照明与艺术照明 221
6.1.2  照明应用场所的要求 228
6.2  绿色照明技术 233
6.2.1  照明环保 233
6.2.2  照明节能 236
6.3  照明设计程序 241
6.3.1  概念设计 241
6.3.2  方案设计 242
6.3.3  施工图设计 247
6.3.4  设计实施 248
6.3.5  现场调试 250
6.4  照明计算分析 251
6.4.1  平均照度的计算 252
6.4.2  点光源照度的计算 258
6.4.3  线光源照度的计算 261
6.4.4  面光源照度的计算 268
6.4.5  亮度的计算 272
6.5  成本分析 276
参考文献 284
第7章  LED灯具测试技术 285
7.1  概述 285
7.2  电气特性标准与测试 286
7.2.1  电气特性相关标准介绍 286
7.2.2  电气特性测试原理与方法 288
7.3  光色特性标准与测试 290
7.3.1  光色特性相关标准介绍 290
7.3.2  利用积分球测量光通量的原理及方法 290
7.3.3  光谱仪工作原理与颜色测试方法 293
7.3.4  分布式光度计工作原理与配光测试方法 300
7.4  热特性标准与测试 304
7.4.1  热特性相关标准介绍 304
7.4.2  热特性测试原理与方法 305
7.5  寿命特性标准与测试 307
7.5.1  寿命特性相关标准介绍 307
7.5.2  寿命特性测试原理与方法 311
7.6 安全性特性标准与测试 321
7.6.1  安全性特性相关标准介绍 321
7.6.2  安全性特性测试原理与方法 325
7.7  光生物安全标准与测试 327
7.7.1  光生物安全相关标准介绍 327
7.7.2  光生物安全测试原理与方法 329
7.8  耐候性特性标准与测试 329
7.8.1  耐候性特性相关标准介绍 329
7.8.2  耐候性特性测试原理与方法 332
本章小结 336
习题 337
参考文献 337
第8章  LED照明其他技术 338
8.1  白光LED照明通信网络技术 338
8.1.1  LED照明通信网络技术原理 339
8.1.2  LED照明通信技术的发展趋势 341
8.1.3  LED照明通信的应用前景 342
8.2  LED动植物生长照明技术 344
8.2.1  LED植物生长光源 344
8.2.2  LED植物生产光源技术 346
8.2.3  LED动植物生长照明技术原理 346
8.3  LED生物安全照明技术 350
8.3.1  蓝光照明的生物危害性 350
8.3.2  LED生物安全照明技术原理 351
8.3.3  LED生物安全照明系统设计 352
8.4  LED物联网照明技术 352
8.5  LED海洋渔业照明技术 354
8.5.1  LED照明与海洋渔业 355
8.5.2  海洋渔业的LED照明技术与设计 356
8.6  LED工矿、港口、码头、广场照明技术 356
8.6.1  超大功率LED照明技术 357
8.6.2  超大功率LED照明设计 358
8.6.3  超大功率LED在工矿、港口、码头及广场的应用 360
本章小结 360
本章习题 36

前  言
作为我国七大战略性新兴产业，半导体照明是一个学科跨度大、技术和应用更新快的行业，优势是能提升传统产业、促进节能减排、转变经济发展方式。当前，行业人才需求量大，人才紧缺的问题日益凸显，现有工作人员还面临技术更新、掌握新工艺的压力。
为保障人才的培养、考核、规范，建立对应的专项能力培养基础、考核机制、考核规范，国家半导体照明工程研发及产业联盟组织龙头企业、行业专家、职业教育和培训工作者进行了企业调查和任务分析，建立了半导体照明专业人员岗位能力素质模型，发布了针对专业工程师的《半导体照明工程师专业能力规范》和针对技能人才的《半导体照明行业专项职业能力考核规范》，并启动了《半导体照明技术技能人才培养系列丛书》出版计划。
LED具有高效节能、寿命长、绿色环保、体积小、固体器件、点亮反应快、白光色温可调、光色质量好、低压直流驱动、易于集成和智能控制等优点，被认为是21世纪有前景的新光源，将取代白炽灯和荧光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新革命。
本书共九章。第1章概论，由王银海教授编写。概括了LED照明的发展历程和照明产业链，介绍了LED的发展现状和研究进展。第2章是LED照明光学设计技术，由张云翠教授编写。主要介绍了一次光学设计、二次光学设计、自由曲面光学元件设计、菲涅尔透镜设计和LED照明光学设计软件Tracepro。第3章由文尚胜教授和谢嘉宁博士编写。主要讨论LED照明散热设计技术，分析了热量对LED的危害，介绍了LED散热分析模型、仿真软件和散热材料的选择方法，总结了LED散热设计过程和新型散热技术。第4章为LED照明驱动设计技术，由付贤松副教授编写。主要介绍了LED驱动电源的特点及分类，LED恒流驱动电源单元电路设计，带功率因数校正（PFC）的LED照明驱动电源，后给出了LED照明驱动电源设计指南。第5章是LED智能照明控制技术，由吴玉香教授和吴琼高工编写。介绍了三种LED调光技术，对LED智能照明控制系统的基本特征、组成、控制策略和方式进行了总结。详细介绍了LED智能照明控制系统中的网络技术、设计与实际工程应用，对LED智能照明控制的发展趋势进行了预测。第6章是LED照明设计技术，由丁云高与徐庆辉高工编写。根据功能、艺术与照明应用场所的不同提出了LED的设计要求。介绍了绿色照明技术、照明设计程序及照明计算分析方法。第7章是LED灯具测试技术，由赵红波总工编写。系统介绍了LED灯具测试中电特性、光色特性、热特性、寿命特性、安全特性、可靠特性、生物安全特性和耐候性等八个关键特性的测试标准、原理及方法。第8章介绍了LED照明其他技术，由王忆教授编写。以LED照明技术的发展和应用为主线，简要介绍了：（1）LED白光照明通信技术的发展趋势和关键技术；（2）LED照明在植物生长和动物养殖中的应用技术和光学的设计；（3）LED生物安全技术的设计思路；（4）LED照明在物联网技术中的应用；（5）LED照明在海洋渔业中的关键技术与应用；（6）超大功率LED照明技术的设计与应用，等等。第9章由李宏教授编写，主要介绍LED照明的应用。包括LED路灯、LED交通信号灯、LED背光源、LED汽车灯、LED室内照明、LED景观照明以及LED照明等其他应用。
本书从各个角度系统介绍了LED照明应用技术，是一本覆盖面广、简洁易懂、具备理论基础但又不缺乏实操性和指导意义的LED技术教材。
本书能够顺利出版，感谢国家半导体照明工程研发及产业联盟和半导体照明、LED相关网站和企业的的大力支持。本书可作为高等院校相关专业高年级学生和研究生的教材和参考书，作为专业技能人才培养的资料，也可供有关LED企业工程技术人员参考。
限于作者水平有限，难免有不妥和错误之处，恳请读者批评指正。

作  者    
2015年9月