家用可调光LED灯具设计

泰 山 学 院 本科毕业论文（设计）家用可调光LED灯具设计 专 业 名 称 申请学士学位所属学科 指导教师姓名、职称 年 月 日摘 要随着科技的发展，传统的灯具逐步开始淘汰是必然的，如同白炽灯逐步被日光灯取代。当今科技背景下，LED的研发越来越受到人们所重视，将来必然会成为灯具市场上的主流。本文主要从LED灯的背景、工作原理角度分析，阐述LED的相比其他灯具的优势以及目前LED灯研发已取得的成功。通过查阅资料以及市场调查，本次毕业作品设计了一款LED床头灯，其结构上简约，功能独特，不仅可以用在夜间照明，白天同样可以作为墙壁装饰挂画。关键词： LED灯；节能；家居ABSTRACT With the development of science and technology, the traditional phased out beginning of lamps and lanterns is inevitable, gradually replaced by the fluorescent lamp as incandescent bulbs.Under the background of the modern science and technology, the LED research and development is more and more attention by people, the future will inevitably become the mainstream of the market of lamps and lanterns.This article mainly from the perspectives of the background, the working principle of LED lights, expounded the advantages compared with other lamps and lanterns of LED and the LED lighting research and development have achieved success.Through access to information and market research, the graduation work designed a LED lamp of the head of a bed, contracted on its structure, the function is unique, not only can be used for lighting at night, the day also can be used as a wall decoration hangs a picture.Key words: LED lamp;Energy saving;household目 录引言51 绪论51.1国内外LED灯具发展现状分析51.2设计的依据和意义61.2.1 室内LED照明灯设计的依据61.2.2 室内LED照明灯设计的意义72 设计调查与分析72.1市场调查72.1.1 目前国内LED灯应用种类72.1.2 目前国内LED灯应用成熟市场72.2调研分析与设计定位83 家用可调光LED灯具设计需注意的问题93.1 调光器的兼容性93.2 可调光性103.3 使用寿命104 结合毕业设计的研究114.1 LED灯设计思路114.2设计方案的确定114.2.1 草图分析114.3设计的深入124.3.1 LED灯造型设计124.3.2 LED灯色彩设计134.3.3 LED灯材料应用13总 结14参考文献15致 谢16引言 灯是人们生活中用来照明的一种家用电器，LED灯具积小质轻，可选用不同光色的LED组合成照度柔和的各种模块，任意安装在居室中，居室照明灯具的光源可能来源于地面、墙面、窗台、家具、饰物等。因此，未来居室照明将不再局限于单个灯具，而将由单个灯具照明转化为无照明器具感的整体照明效果的无影灯。不同的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响，人们在很多情况下并不需要很亮的白光，可能黄光或其它颜色的光更适合生理和心理的需要。三基色LED可以实现亮度、棕度、颜色的连续变换和选择，使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜色的光。1 绪论1.1国内外LED灯具发展现状分析我国半导体照明产业在2009年呈现逆势上扬的良好发展态势，我国半导体照明应用产值达到600亿元，半导体照明产业规模增加到1827亿元，同比增长近20%。截至2009年底，我国共有LED企业3000余家。其中，上游的外延及芯片生产商超过40家，中游封装企业约有1000家，下游应用产品生产企业2000家。目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模保持较快增长、照明应用取得较大进展。中国已经发展成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业链逐步完善。 从93年至今，全国LED市场保持持续增长（据台湾PIDA估计，国内显示屏市场年增长率为40%左右）。光电基础产业的发展促进了LED显示民间产业近年来年迅速发展。据电子工业年鉴及一些专业杂志的统计，97年LED管产量比96年只增加了7亿只，但同期LED产值增加了1389百万，（国内LED显示民间所用的LED绝大多数是进口的，尤其是绿灯和蓝灯）其中包括LED显示屏产值部分。实际上，在97年增加的13.89亿产值中相当一部分是LED显示屏创造的产值，因此，台湾PIDA估计的99年大陆LED显示屏7.7亿人民币产值是一个保守的数字。 以LED显示屏专业委员会统计估算的1998年的8亿元人民币产值为基础，我们推测1996年的LED显示屏市场产值应该是4亿多，实际统计1997年为6亿多，1999年为10亿多，据最新的统计推算，2000年全国的LED显示屏市场产值为14-15亿。2001年统计的全国LED显示屏市场销售额约20亿元人民币，年增长率1996、1997、1999、2000、2001年均在40%左右，只有1998年为30%。在2001年全国LED显示屏市场销售额中，LED显示屏专业委员会成员单位占80%，有16亿多。目前在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。国内LED显示屏产品及市场发展迅速，厂家众多，但目前主导骨干企业群尚在形成之中，处于群雄逐鹿的时代。随着LED显示产品行业的竞争逐步变得有序，市场即将转入规模化、品牌化竞争，当逐步形成实力占据市场分额50%以上的三到五家企业时，显示屏市场将趋于成熟。1.2设计的依据和意义1.2.1 室内LED照明灯设计的依据近年来，随着LED灯具的出现，照明领域发生了革命性的变化。在欧洲和美国的零售商店，古老的白炽灯泡已难觅踪迹，甚至禁止销售。而在替代灯具市场，低功耗的紧凑型荧光灯（CFL）现在面临着新的竞争对手。LED技术正在不断改进，LED灯具在亮度和功率方面日益强大。这些特性再加上其特有的高能效，使LED灯具成为照明的理想选择。一般白炽灯泡每瓦能产生10流明，而LED制造商宣称LED灯具每瓦最高可达到100流明。并且，LED作为室内灯的光源,它和传统路灯光源比较有许多优点。其一,LED是一种半导体二极管,它的寿命非常长。当光通量衰减到80%时,其寿命达到了25000小时。而金属卤化物灯的寿命在6000-12000小时,高压钠灯的寿命是12000小时。其二,LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料,放置在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。其三，LED能实现较完美的调光功能。由于LED的工作范围较大,其光输出和工作电流成正比,因此可以减小电流的方法来调光。另外,由于LED进行频繁开关对其没有太大的损伤,LED的调光还可以采用脉冲宽度调节的方法来得到,通过调节电压的占空比和工作频率,能够有效调节LED的发光强度。1.2.2 室内LED照明灯设计的意义 生态问题也日益受到公众关注。随着人们对全球变暖和气候变化等环境问题的意识不断提高，节约资源和能源的理念正成为很多市场营销策略的要点。过去10年间汽车油耗的降低和白炽灯的禁用很好地说明了这一趋势。全球多国政府已经制定白炽灯淘汰的时间表。还有一些公共政策专门为节能环保的“生态”产品提供宽松的税收支持或其他财务帮助。使用LED灯作为室内使用的意义在于非常符合公众对安全、节能和环保照明解决方案的热切期盼。并且LED还具有许多优点，如较高的调光能力、较长的使用寿命和较小的外形尺寸，在外形、颜色、寿命和成本方面打开了方便之门。2 设计调查与分析2.1市场调查2.1.1 目前国内LED灯应用种类目前国内LED较为成熟的应用领域为建筑景观照明，大屏幕显示，交通信号灯，指示灯，手机及数码相机等用小尺寸背光源，太阳能LED照明，汽车照明，特种照明及军用等，其中建筑景观照明是我国LED最大的应用领域。2.1.2 目前国内LED灯应用成熟市场 （1）建筑景观照明。由于LED光源具有节能环保、轻巧耐用、色彩丰富、简单易控、低压安全等一系列优点，在景观照明中具有广泛的应用市场，国内景观照明市场规模约在2000亿元以上。厦门、重庆、上海、广州、沈阳和哈尔滨等城市已建成一批LED景观照明示范工程。在奥运和世博LED示范工程带动下，北京、青岛、上海等地将继续建设一批LED景观照明工程，这些工程扩大示范效应将进一步促进其他中小型城市采用LED景观照明，从而加快我国LED景观照明在不同地区与城市的大面积使用。 （2）交通信号灯。交通信号灯的市场规模达100亿元以上。目前，我国高亮度LED城市交通信号灯也已广泛应用。另外，LED在铁路信号机上也有广阔的应用前景。传统信号机以双灯丝白炽灯泡为光源，灯泡寿命只有1000小时。我国政府计划未来平均每年新建1700公里铁路线，至2020年我国铁路线总长将达到10万公里，高可靠性、安全性及少维护的高亮LED将会大有作为。并且，手持信号灯、客车床头阅读灯、安全标志灯等铁路信号及照明产品也开始使用LED。我国处于高速发展的公路、机场、海港等领域的信号、标识类用灯，也是LED应用很有潜力的市场。 （3）显示屏。在我国，LED显示频技术起步较晚，不过在这种情况下显示屏市场规模也高达500亿元。市场上出现了一批具有较强实力的生产厂商，已经形成了一个配套齐全的成熟行业。目前我国LED显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院、体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等公共场所。 （4）小尺寸LCD背光源国内小尺寸（7寸以下）背光源市场约20亿元。LED已在手机、MP3、MP4、DC/DV及PDA等小尺寸LCD面板领域取得了成熟广泛的应用与普及。随着彩屏手机，国内封装企业正在积极开展技术研发或引进设备，以提高生产能力和产品品质。特别是近年日本、韩国小尺寸液晶背光厂正在向中国转移。 （5）汽车应用。国内LED汽车灯具市场已超过100亿元。2006年中国汽车产销达7270.97万辆和7210.60万辆，同比增长32.76和30.02。随着LED发光组件技术水平的提高，产品价格的下降，LED组合尾灯、LED刹车灯、LED转向灯等将会成为我国轿车车灯的主流配置。预计2010年我国LED前装市场（OEM配套市场）,LED组合尾灯、LED中央高位刹车灯、汽车仪表背光以及其它LED灯的配套将达到40亿元。车用LED的下一应用趋势将是汽车前大灯。2.2调研分析与设计定位国内已有采用LED作为室内照明的案例，2-3年节约的电费即可收回初始投资。随着LED性能的不断提高和价格持续降低，节能环保的LED将逐步进入通用照明领域。特别在公共照明场所，由于环境要求需要不间断照明的地点，如加油站、地下停车场、医院、星级酒店、商务会馆、商品展示柜台、高档商用写字楼等商用场所，对于较高的价格也能接受，预计这些场所将率先采用白光LED作为普通照明。就数量而言，LED照明灯具目前在普通照明市场上仍然是少数。然而，随着市场逐渐升温，LED解决方案在未来几年必然逐渐占据市场主导地位。本次设计主要定位为室内可调光LED照明灯。3 家用可调光LED灯具设计需注意的问题3.1 调光器的兼容性 目前，家庭、旅馆和办公场所照明灯具的控制设备都是针对白炽灯设计安装的。提供调光功能的最好方法是使用“市电切相”调光器。这种调光器原理上是为白炽灯供电而开发的。从电学方面看，白炽灯可视为一个电阻性负载。而电子照明源（如CFL节能灯或LED灯）的电气等效负载则不再是纯阻性负载。这样在调光器工作方式上就产生了很大的不同。负载使用不当会导致系统功能失常，可能出现令人非常不舒服的闪烁、甚至损坏灯具或调光器。这样可能引起用户不满，从而推迟采用LED解决方案。目前，调光器仍然价格昂贵且难以安装。因此，推出兼容现有调光器的优质解决方案成为兑现LED照明推广承诺的必然。切相调光器虽然类型各异，但是工作原理基本相同（即在每个周期切掉部分电源正弦波）。这可以通过开关来实现。开关接通时，电源就输送到负载（灯泡）。开关断开时，则不供电。通过调节开关导通时间，就可以调节供给负载的总能量。 调光器分为两类：前沿切相型和后沿切相型。 （1）前沿切相调光器，就是在电源半周期开始时切相。经过了与调光位置相对应的一段时间后，开关才导通为负载供电直至半周期结束。经过零点后，重复相同操作。 （2）后沿切相调光器，就是开关在半周期开始时导通，经过与调光位置相对应的一段时间后断开，并将断开状态保持至半周期结束。经过零点后，重复相同操作。要完成切相，主要使用两个技术：TRIAC（双向可控硅）开关或晶体管开关。TRIAC调光器多为前沿切相调光器。晶体管开关既可以是前沿切相调光器也可以是后沿切相调光器。TRIAC调光器的问题是它需要满足特殊的条件才能正常工作：TRIAC可以通过触发栅极来打开，一旦触发，仍需要一个最小的电流来维持其处于导通状态。这个触发电流被称为“闩锁电流”，而且为了保持TRIAC导通，电流必须加载一段时间。一旦器件被闩锁，必须有持续的电流供应。这个电流被称为“保持电流”。如果这个电流断开或减弱，TRIAC将关断。为了兼容调光器，LED灯具必须吸收调光器所需的保持电流。例如，如果一只6W的LED灯（大致相当于40W的白炽灯泡）要与一个最小负载为10W的调光器配合使用，就需要一些额外电路来提供足够的保持电流。在这种情况下，灯泡效率会降低，但与40相比仍然是高效率。如果没有这个电路，LED灯则无法正常工作。不同调光器的保持电流有所不同。因此，额外损耗越大，与调光器的兼容性就越好。可调光应用的设计难点就在于找到灯具效率和调光器兼容性之间的最佳权衡。3.2 可调光性LED很容易进行调光。其发光强度大致与供电电流成正比。只要降低平均电流，发出的光能就会减少。然而，要设计一个调光拓扑则比较复杂，需要使用不同的技术，如PWM调光、调频或者I峰值调制。（1）使用PWM调光时，输送至LED的瞬间电流只有两个值：0或I最大值，当PWM=0时，ILED= 0 A，当PWM=1时，ILED = I最大值。通过调整PWM信号的占空比，可以改变LED平均电流。这种技术要求转换器扮演类似于快速切换电流源的角色。这种技术的目标是容纳大电流并保持精确控制。开关损耗可能很高，特别是对于深度调光。（2）使用调频时，最大LED电流不变，但是转换器的频率会改变。换言之，转换器每个周期内输送至LED的能量是相同的，但是每秒钟的周期数量是变化的。调频的问题是在最小频率变得很低时会产生噪声，而在最大频率变得很高时会产生巨大的开关损耗。这些因素会增加深度调光的难度。 （3）使用I峰值调制时，控制器频率是固定的，但电源开关的开启时间是变化的。因此，LED的最大电流I峰值是变化的。换言之，每秒钟的周期数是不变的，但是每个周期输送至LED的能量会减少。采用该技术进行深度调光时，要求脉冲必须非常小。由于开关损耗过大，一般不推荐使用这种方式。 一些控制器，如SSL2101及其衍生产品(SSL2102/03)，可以将调频和I峰值调制结合使用。这样可以将每种方法的缺点降至最低。在全功率时，可以优化开关频率来限制开关损耗。在调光状态下，同时降低I峰值和频率可以避免开启时间过短以及频率过低。因此，其调光水平可以低于1%。3.3 使用寿命 LED的使用寿命较长是其主要优点，其宣称寿命可达5万小时。这个值比节能灯寿命要高出许多，远远超过了传统白炽灯的寿命。然而，LED不能单独使用（如上所述），需要其他器件提供驱动。在半导体行业，寿命测试的标准是1000小时。根据最终应用的工作温度不同，也采用一些系数用于器件寿命的估算。这1000小时的测试不足以确保所估算的寿命，还必须进行加速寿命测试来确保控制器的寿命与LED的寿命相当。 4 结合毕业设计的研究4.1 LED灯设计思路 LED的内在优势非常符合公众对安全、节能和环保照明解决方案的热切期盼。LED还有许多其他优点，如较高的调光能力、较长的使用寿命和较小的外形尺寸，在外形、颜色、寿命和成本方面打开了方便之门。采用在机械、光、电和热等各方面都兼容的LED照明解决方案替代传统的照明源（荧光灯、CFL节能灯、卤素灯或其它白炽灯）是一场正在发生的工业变革。商务、办公和住宅照明市场呼唤高质量的LED改良灯具。尽管成本问题仍然是这些解决方案的主要障碍，但同时还需要注意以下技术问题： （1）与现有基础设施的电气兼容性，特别在使用标准入墙式插座调光器时 （2）外形须采用螺口型式 （3）必须解决LED的散热问题 针对上述考虑因素，本次设计作品LED灯以平板形式呈现，灯具平板部分可以旋转，以适应收起展开两种状态，开关为三级触摸式开关，整体铺面大，散热效果好。 4.2设计方案的确定4.2.1 草图分析草图是一种视觉呈现手段，将一些一闪而过的想法或概念记录下来，为概念构思而服务。尽管简略草图里汇集了奇思妙想，但将其转化为实际方案还需要我们逐步深入，以下是我们经过分析后的所描绘的草图（如图2）。图 2 草图4.3设计的深入4.3.1 LED灯造型设计本方案的设计重点是对室内LED灯造型进行突破性的改变，整个灯体采用盒型结构，支撑架采用可伸缩结构。一天的忙碌，希望映入眼前的东西应该是简洁，明了，让心灵得到休息，因此，在造型中，不能有繁琐的装饰。在使用中，要能多角度的旋转，方便使用给人们生活能带来方便。综合分析之后，最终，定位为现代气息、简约、纯正和高品质的特征。德国博朗公司告诉我们出色的设计是需要创新的，能够创造有价值的产品并且是具有美学价值的；出色的设计让产品简单明了，它不是触目、突兀和炫耀的，不是装饰物，也不是艺术品，它是历久弥新的能够贯穿每个细节，经得住考验的。首先，本次设计作品灯体外围整体造型流畅、圆润，突破了以往筒状的LED灯造型，摒弃了复杂的形状，而圆润的造型更让人容易接受；其次，遵循者美学的特点和规律。从稳定性上说，将LED灯的底盘的地方通过加大、加宽、加重的方式来降低产品的物理中心和视觉重心，让产品更加的稳定、可靠，结合LED灯采用的盒状造型。在创新上，本次设计的的LED床头灯，灯罩上有着美观的图案，在白天LED不实用时，其支撑架独特的可以伸缩性可以将整个LED收拢到墙壁上，在视觉上，给人的感觉是床头的一副挂画,如此设计既节约了空间，又具有极强的装饰性。4.3.2 LED灯色彩设计棕色介于黑色和白色之间，中性色、中等明度、无色彩、极低色彩的颜色。棕色能够吸收其他色彩的活力，削弱色彩的对立面，而制造出融合的作用。棕色是一种中立色，具有中庸、平凡、温和、谦让、中立和高雅的心理感受，也被称为高级棕，是经久不衰、最经看的颜色。任何色彩加入棕色都能显得含蓄而柔和，而且棕色还带给人高品味、含蓄、精致、雅致耐人寻味的感觉。秉承情感化设计风格，LED灯设计以大面积的棕色系为主，主色的浅棕色属于非常纯净的非色彩，LED灯流线型的造型与表面采用光泽效果相结合，在光线的照射下，棕色的光泽面会呈现出渐变的效果，LED灯造型显得更加的立体，富有空间感。4.3.3 LED灯材料应用为了突破以往的LED灯设计造型，本次设计作品采用能够进行百变的原木材质。LED灯表面采用高反光塑料材质，简洁、流畅的弧线反射出优雅的高光，更好的表现出流线型设计的一体感和光滑感，具有清新、干净的特点，圆弧形的造型与光洁的质感相结合，让消费者抚摸产品时的手感更加的舒适；LED灯的支撑架从安全角度出发，必须坚固耐用，因此使用合金材料。总 结通过这次毕业设计，明白了设计是需要积累和学习后才能制作完成的，在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。参考文献1 路秋生.LED的照明与应用J 灯与照明.2009.122沈杰编. 理解与创新:体验产品设计的思维激荡M.江苏美术出版社.20083Kristina Goodrich.设计的秘密.产品设计.20024柳冠中,何人可.工业设计史.高等教育出版,20105庄金迅.光源的色温及其在照明设计中的应用J. 灯与照明，2007.96王香娟.家居室内led照明光色研究D.上海大学,20117李乐山.工业设计思想基础.中国建筑工业出版社,20078虞世鸣.产品创意设计M.北京大学出版社,2011致 谢在毕业设计和论文撰写期间，从选题、方法和思路、确定到布局到完成老师都进行了认真的指导，审查和修改。但是本人由于工作限制原因，并没能全心全力的去完成我大学最后的一份作品，我个感觉非常遗憾。现在毕业设计能得顺利地完成，完全是因为老师倾注了心血与关心。所以我必须要感谢在我学习和生活上给过我帮助的老师和同学们，他们都在我的学业中给予了莫大的支持和帮助。有幸认识你们是我的莫大幸运。最后，还要感谢我的父母，他们多年的默默支持一直是我学习和生活的最大动力。不论我遇到多大的困难和挫折，他们始终陪伴着我，并且坚定支持和鼓励我。衷心地感谢所有曾经帮助过我的人！