机电101沈益毕业论文.pdf

嘉兴职业技术学院嘉兴职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计 （论（论 文）文） 题目名称：LED 灯的设计 姓名：沈益 所在分院：机电与汽车分院 专业班级：机电 101 指导教师：李莉平 2013 年 05 月 28 日 嘉兴职业技术学院毕业论文（设计） I 目录 目录.I 摘 要.II 第一章 LED 的概况. 1 1.1 发光二极管简介.1 1.2 提高发光强度及发光效率.3 1.3 闪光灯.3 1.4 适用范围.4 第二章硬件设计.4 3.2. 硬件理论框图.5 2.4 电容降压原理介绍.6 2.5 应用电容降压电路驱动 LED 节能灯.7 第三章装配过程.11 第四章 与其他灯比较.14 4.1 经济方面.14 4.2 其他方面.15 结 语.16 致 谢.17 参考文献.18 II 摘 要 因节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其高效 节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。大功率发光二极管 作为半导体照明的代表，其性能近来提高很快，发光效率已超过 50 lm/W,有望取代 白炽灯、荧光灯和压放电等传统光源，成为人类照明史上的第四代照明光源 LED 节能灯节电高达 80以上，寿命为普通灯的 10 倍以上，几乎是免维护， 不存在要经常更换灯管、镇流器、起辉器的问题，约半年下来节省的费用就可以换 回成本。绿色环保型的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于工人的视力保护 及身体健康，6000K 的冷光源给人视觉上清凉的感受，有助于集中精神，提高效率。 关键字 LED; 节能;亮度 嘉兴职业技术学院毕业论文（设计） 1 第一章 LED 的概况 1.1 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。 发光二极管的结构 LED Lamp(led 灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料 所组成。 2 一、支架： 1）、支架的作用：用来导电和支撑2）、 支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、 银这五层所组成。 二、银胶 银胶的作用：固定晶片和导电的作用。 三、晶片（Chip）： 发光二极管和 led 芯片的结构组成 1）、晶片的作用：晶片是 LED Lamp 的主要组成物料，是发光的半导体材料。 3 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。 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。 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 度及角度；使 Lamp 成形。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 条的卡点高低所决定。模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外 观不良。 1.2 提高发光强度及发光效率 作为指示灯方面的应用,有几个 mcd 的发光强度也可以了,但由 LED 组成的数码 管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满 足使用的要求。所以 LED 的主要发展方向是提高发光强度。 1.3 闪光灯 数码相机正逐渐替代用胶卷的相机,在数码相机中采用超高亮度的白光 LED 替代 了传统的氙灯。采用超高亮度的白光 LED 作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省, 而且无须充电时间。例如,前面提到的 1W 白光 LED XL7090WHT,它在用作闪光灯 4 时,700mA 的脉冲电流时其典型光通量为 981m。 目前，照明消耗约占整个电力消耗的 20%，大大降低照明用电是节省能源的重 要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的 成效。但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、 耐用的新型光源势在必行。LED 以其固有的优越性正吸引着世界的目光。 1.4 适用范围 适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家等室内照明。 第二章硬件设计 2.1.驱动原理分析及应用 一、应用要求 1、驱动电路是一种专为 LED 供电的特种电源，要具有简单的电路结构、较小 的占用体积，以及较高的转换效率。 2、驱动电路的输出电参数(电流、电压)要与被驱动的 LED 的技术参数相匹配， 满足 LED 的要求，并具有较高精度的恒流控制、合适的限压功能。多路输出时，每 一路的输出都要能够单独控制。 3、具有线性度较好的调光功能，以满足不同应用场合对 LED 发光亮度调节的 要求。 4、在异常状态(LED 开路、短路、驱动电路故障)时，电路能够对电路本身、LED 和使用者都有相应的保护作用。 5、驱动电路工作时，对其他电路的正常工作干扰少，满足相关的电磁兼容性要 求。 二、电路工作原理 电路的工作原理是利用按照要求通断的电子开关 S 的通断作用。在 S 开通时电 源 Vdd 给电感 L 储能， S 关断后 L 上的电压极性反转与电源电压 Vf 相叠加来得到满 足 LED 工作时要求的电流值 If 和电压值 Vr， 通过电流负反馈作用(由 R0 进行电流取 5 样)，使得流过 LED 的电流 If 稳定在一定的范围内，同时可以兼有一定范围的调光 功能。 三、应用方式 照明级白光 LED 不适合采用线性手过改变段来调节其发光的亮度，应该采用电 流 If 的幅值不变，只改变 If，单位时间内电流脉 j 中宽度的方式来调光，因为这样不 会改变其发光的光谱而造成白光的偏色。常用的调光应用主要采用以下几种方式： 1、脉宽调制方式：脉宽调制是一种常见的调节 LED 亮度的方式。通过改变加 在 LED 上的矩形脉冲电流的宽度大，使 LED 上得到的平均电流在较大的范围内改 变，可以获得较大范围的调光效果。 2、频率调制方式：频率调制是另一种调节 LED 亮度的方式。保持加在 LED 上 的矩形脉冲电流(幅值不变)的宽度不变，通过改变单位时间加在 LED 上的矩形脉； 中电流的个数多少，使 LED 上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，使得 LED 亮度具有较大范围的调节。 3、位角调制方式：位角调制是采用一串含有二进制序列脉冲，并且序列脉冲的 每一位宽度都按照其位值的比例来延展。通过改变单位时间加在 LED 上的矩形脉； 中电流占有位值所延展的宽度， 使 LED 上得到的平均电流在较大的范围内发生变化， 以调节 LED 的亮度。 3.2. 硬件理论框图 3.3 电路图设计 220V 市电输入 降 压 电 路 整 流 电 路 稳 压 输 出 6 2.3.PCB 电源板 2.4 电容降压原理介绍 电容降压的工作原理并不复杂。 他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率 下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在 50Hz 的工频条件下，一个 1uF 的电容 7 所产生的容抗约为 3180 欧姆。当 220V 的交流电压加在电容器的两端，则流过电容 的最大电流约为 70mA。 虽然流过电容的电流有 70mA， 但在电容器上并不产生功耗， 应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功 功率。根据这个特点，我们如果在一个 1uF 的电容器上再串联一个阻性元件，则阻 性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如， 我们将一个 110V/8W 的灯泡与一个 1uF 的电容串联， 在接到 220V/50Hz 的交流电压 上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为 110V/8W 的灯泡所需的电流 为 8W/110V=72mA，它与 1uF 电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将 5W/65V 的灯泡与 1uF 电容串联接到 220V/50Hz 的交流电上，灯泡同样会被点亮， 而不会被烧毁。因为 5W/65V 的灯泡的工作电流也约为 70mA。因此，电容降压实际 上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两 端电压的角色。 采用电容降压时应注意以下几点： 1 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容， 而不是依据负载的 电压和功率。 2 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在 400V 以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。 3 电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。 4 电容降压不适合动态负载条件。 5 同样，电容降压不适合容性和感性负载。 电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件，熟知它们的特性并灵活地应用它们 是非常重要的。 2.5 应用电容降压电路驱动 LED 节能灯 采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路由于其具有体积小成本低电流相对 恒定等优点常应用于 LED 的驱动电路中。 举例分析： 8 图一为一个实际的采用电容降压的 LED 驱动电路因压敏电阻或瞬变电压抑 制晶体管能在电压突变瞬间(如雷电大用电设备起动等)有效地将突变电流泄 放从而保护二级关和其它晶体管它们的响应时间一般在微毫秒级。 2.5.1 电路工作 电容C1 的作用为降压和限流电容的特性是通交流隔直流当电容连接于交流电 路中时XC表示电容的容抗f表示输入交流电源的频率C表示降压电容的 容量。其容抗计算公式为 XC=1/2fC 流过电容降压电路， I表示流过电容的电流U表示电源电压XC表示电容的容抗， 电流计算公式为 I=U/XC 在 220V50Hz 的交流电路中当负载电压远远小于 220V 时电容的单位为 uF电 流的单位为 mA，电流与电容的关系式为 I=69C 9 电阻 R1 为泄放电阻其作用为当正弦波在最大峰值时刻被切断时电容 C1 上的 残存电荷无法释放会长久存在在维修时如果人体接触到C1的金属部分有强烈 的触电可能而电阻 R1 的存在能将残存的电荷泄放掉从而保证人机安全。泄 放电阻的阻值与电容的大小有关一般电容的容量越大残存的电荷就越多泄放 电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表 D1D4 的作用是整流其作用是将交流电整流为脉动直流电压。 C2C3 的作用为滤波其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压 压敏电阻(或瞬变电压抑制晶体管)的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压 电压对地泄放掉从而保护 LED 不被瞬间高压击穿。 LED 串联的数量视其正向导通电压(Vf)而定在 220VAC 电路中最多可 以达到 80 个左右。 组件选择电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值在 220V,50Hz 的交 流电路中时可以选择耐压为 400 伏以上的涤纶电容或纸介质电容。 D1D4可以选择 IN4007。 滤波电容 C2C3 的耐压根据负载电压而定一般为负载电压的 1.2 倍。其电容 容量视负载电流的大小而定。 下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路现举例如下 图二 10 在图二电路中可控硅 SCR 及 R3 组成保护电路当流过 LED 的电流大于设 定值时SCR导通一定的角度从而对电路电流进行分流使LED工作于恒流状态 从而避免 LED 因瞬间高压而损坏。 图三 在图三电路中C1R1压敏电阻L1R2 组成电源初级滤波电路能将输入 瞬间高压滤除C2R2 组成降压电路C3C4L2及压敏电阻组成整流后的滤波 电路。此电路采用双重滤波电路能有效地保护 LED 不被瞬间高压击穿损坏。 图四是一个最简单的电容降压应用电路电路中利用两只反并联的 LED 对降压后 的交流电压进行整流可以广泛应用于夜光灯按钮指示灯要求不高的 11 位置指示灯等场合。 2.5.2.电容降压计算 这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。 它的输出电压通常可在 几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电 容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际标准单位） I(AV)=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C =0.44*220*2*3.14*50*C=30000C =30000*0.000001=0.03A=30mA 如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为： I(AV)=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C =0.89*220*2*3.14*50*C=60000C =60000*0.000001=0.06A=60mA 一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波 整流型更差，所以在这次的设计中我用的是半波整流。 使用这种电路时，需要注意以下事项： 1、未和 220V 交流高压隔离，请注意安全，严防触电！ 2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于 400V），并加串防浪涌冲击 兼保险电阻和并放电电阻。 3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。 - 第三章装配过程 降压用 CBB 电容 常用 CBB 电容： 常用 CBB 金属化电容， 规格有 104/400V 、 334/400V 、 105/400V 等。 12 散光源 LED 灯 白色， 分光分色， 多个串联不会出现色差 实际亮度 1500018000mcd 尺寸： 5mm 透明 发光角度：20 度 电压：3.2-3.4v 电流：20 毫安 塑料外壳 13 其他材料 LED 安装底座 焊接完后的 PCB 图: 14 成品图片 本方案设计的为 20LED 节能灯,材料包括 E27 灯头，PBT 阻燃外壳，20LED 安 装线路板，电源线路板，降压电容，滤波电解电容，硅桥，电阻，导线，不含 LED。 设计功率 1.5W 左右，亮度超过 10W 普通灯泡，节能环保，特别合适做路灯， 台灯，夜明灯，也可用于家庭照明。 第四章 与其他灯比较 4.1 经济方面 白光 LED 做成的照明灯节能、长寿命。笔者将发光亮度相差不多的三种灯在使 用中作了节电上及经济上的比较。这三种灯分别是 3W 的白光 LED 灯泡、5W 的节 能荧光灯和 25W 的白炽灯泡。这三种灯都采用 220V 市电供电。在计算中,3W 的白 光 LED 灯泡按 5W 计算(其中有 2W 是 AD/DC 及驱动电路的损耗),5W 的节能荧光灯 按 7W 计算(2W 是自镇流及电路的损耗)。这里要说明的是 3W 白光 LED 灯泡及 5W 节能荧光灯的生产工厂并没有给出这种损耗值,2W 是笔者估算的。 从节电的方面来比较,同样使用了 50000h,白炽灯要用 1250 度电,而 3W 的白光 LED灯只要250 度电,相差1000 度电。 如果全国有1亿只3W白光LED灯替代了25W 白炽灯泡,则在 50000h 的使用时间中可节省 1000 亿度电。另外,从经济方面来比较, 用 1 个 3W 白光 LED 灯点了 50000h,总的花费是 209 元,若用 25W 白炽灯泡需花费 15 688.4 元,相差 479.4 元。 4.2 其他方面 相比于其他灯具，LED 节能灯的优点主要体现在以下几个方面： 1 1.高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管 0.03-0.07 瓦）电光功率转换接近 100%，相同照明效果比传统光源节能 80%以上。 2.2.绿色环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，也没有辐射，眩光 小，无污染， 无汞有害气体不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，而且废弃物可回收，属于典型 的绿色照明光源，无紫外线，红外线是真正的绿色环保光源。 3 3.无辐射， 杜绝辐射污染， 保护大脑，具有优越的静电防护功能,光照效果柔和， 恒流驱动，零频闪，保护视力，预防近视；无紫外线辐射,直流灯无频闪,真正白光 近似自然昼光，适合视觉要求,保护眼睛皮肤 4 4.使用寿命，固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在 灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达 6 万到 10 万小时，是普通灯泡 的 50 倍；相当于不间断照明 10 年时间，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、 镇流器、起辉器的问题。 5 5.静音设计，整灯无任何噪音干扰。 16 结 语 在此次 LED 节能灯的设计中，充分的体现出大学的知识是综合性的，是一个培 养学生独立思考能力灵活运用个方面知识的具有挑战性的课题。刚开始的时候会感 觉老师给的这个课题有点难，但人生不就是一个不断克服困难的过程么？在此次课 程设计的过程中，我发现了自己的很多不足之处，比如说 Protel 学的不是很精只会 一些皮毛而已，以及对书本上的知识掌握的不是很好。但是，我今后一定会把自己 的不足之处给改正过来的。 刚开始会遇到很多挫折，并不是说按照原理图焊接出来，就直接可以正常使用， 在这几日里，我经历了阶段性成功的狂喜，测试失败后的沮丧，陷入困境的急噪， 重新投入的振作，这样的心路历程是非常宝贵的体会，正是有了大家的鼎立合作终 于成功了。同学们在设计的过程中互相帮助让我深刻的体会出团结就是力量的含义。 让我印象最深刻的就是，降压电容配置不好,很容易烧毁,并且我还被触电了多次. 我现在才明白，单有理论还不够的，照着书做是不够的，我们更需要的是实践能力 和经验。 17 除此之外，我还学会掌握了书本以外的电子电路方面的知识，尤其是在制作 PCB 板的时候受益扉浅，制板的过成中遇到另外种种问题，感谢各位工程部的同事和学 校的老师提供的元器件、工具和帮助，更要感谢在我实习期间在公司给予我重大帮 助和鼓励的张敏师傅,他不厌其烦,认真指导,仔细讲解,才使得我设计能够顺利完成, 同时还要感谢我的同学们给我很大的帮助。在此诚挚的说一声：谢谢谢谢！ ！ ！ 致 谢 长途跋涉，为的是