（电机与电器专业论文）led光伏照明系统优化设计.pdf

o p t i m u md e s i g nf o rl e d p h o t o v o l t a i ci l l u m i n a t i n gs y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eg l o b a l e n e r g ys h o r t a g ea n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e m sa r eb e i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，p e o p i ee a r n e s t l yh o p et oa p p l yan e w t e c h n o l o g yt os a v ee n e r g ya n dp r o t e c te n v i r o n m e n t l e ds e m i c o n d u c t o ra p p l i e dt o p h o t o v o l t a i cl i g h t i n gs y s t e mi sj u s tt h i sk i n do fc h a r m i n gn e wt e c h n o l o g y p e o p l e a t t a c hm o r ea n d m o r ei m p o r t a n c et ot h es e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i o nf o ri t s r e m a r k a b l em e r i t sj u s ta sl o n g e v i t y , e n e r g ys a v i n g ，g r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n ds oo n ，a n dc o n s i d e ri ta st h em o s tv a l u a b l e ，n e wl i g h ts o u r c ei nt h e21s tc e n t u r y ， c o m b i n i n gt h et e c h n o l o g yo fs o l a rc e l lp h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s f o r m a t i o nw i t h t h a to ft h es e m i c o n d u c t o rr a d i a t i o na n du t i l i z i n go p t i c sr e f r a c t i o np r i n c i p l e ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g nm e t l m df o ri l l u m i n a n td i s p l a yb o a r do fl e dt od e v e l o p l a m pb o x ，w h i c hh a ss u c hm e r i t s a sn of i l a m e n tl i g h ts o u r c e ，n oi n v e r t e re n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n dd cp o w e rs u p p l y b a s e do nt h ed e s i g np r i n c i p l ef o rl c do f n o t e b o o k ，i l l u m i n a n td i s p l a yb o a r do fl e di sas i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d o fi l l u m i n a t i o n ，a n da l s oi sat e c h n o l o g i c a lp r o d u c ti nt h ef i e l do fs p o tl i g h ts o u r c e c o n v e r s i o ni n t os u r f a c el i g h ts o u r c e i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ei l l u m i n a n te f f e c to f d i s p l a yb o a r d ，s o m em a t e r i a ls u c ha so p t i cl e v e lp m m al g p , r e f l e c t i o ns h e e ta n d a df i l m ，e t ci sa p p l i e dr e a s o n a b l yi nt h ep r o c e s so fd e s i g n t h i sp a p e ra l s og i v e sa d e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s em a t e r i a la n dt h e i rr o l ei n t h es y s t e m t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di s f i n a l l yv e r i f i e db a s e do na b u n d a n t e x p e r i m e n t a ld a t a a l s o ，t h eo p t i m u mm a t c h i n go fs o l a rc e l l ，s t o r a g eb a t t e r ya n dl e dd e s e r v e s o u rr e s e a r c hi nt h es y s t e m t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da no p t i m a ld e s i g nm e t h o di n a s p e c t so fc a p a c i t y ，p o w e rm a t c h i n ga n ds oo n s t o c h a s t i cn a t u r ei st h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e np h o t o v o l t a i c s y s t e ma n d c o n v e n t i o n a le n e r g y b e c a u s et h et i m ed e p e n d e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i c s y s t e me n h a n c et h ei n s t a b i l i t yo fs y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h et a s k ，t h i s p a p e rp u t sf o r w a r dad e s i g nm e t h o do fc h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n t r o l l e r ，w h i c hi s a p p l i e di np h o t o v o l t a i ci l l u m i n a t i n gs y s t e m ，a n dp r e f e r a b l ys o l v e st h eo u t p u t e n e r g yi n s t a b i l i t yo fs o l a rc e l li nt h es y s t e m b e s i d e s ，c o n t r o la n dp r o t e c t i o nf o r s t o r a g e b a t t e r ya n dl e da r ea l s or e s e a r c he m p h a s e si nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h e c i r c u i t r yd e s i g na n ds o f t w a r ea l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，c o r r e l a t i v e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dw a v e f o r m sa r ea l s op r e s e n t e da sw e l l k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i ci l l u m i n a t i n g ，o p t i m a ld e s i g n ，s o l a rc e l l ，s e m i c o n d u c t o r c h a r g ea n dd i s c h a r g e 表格清单 表2 1 白光l e d 的种类和发光原理 表2 2 各主波长a d 谱线a 表2 3 单个l e d 的光通量与电流的关系 表2 4 导光板亮度与l e d 光源的关系， 表2 5 固定l e d 光源下不同厚度导光板的导光性能 表4 1x d 6 6 0 1 d 芯片管脚功能 表4 2d c l 2 v 8 a 充放电控制器技术指标 1 1 12 2 3 2 4 2 4 5 3 5 6 插图清单 图1 1 传统的光伏照明系统图 图1 2l e d 光伏照明系统图 图1 34 w 太阳能发光交通标志牌系统 图2 1 电光源分类 图2 2 发光二极管结构图 图2 3l e d 光源的发光原理 图2 4l e d 光源的光强分布特性 图2 5l e d 伏安特性 图2 6g a a s pl e d 发光特性 图2 7 直接控制电路 图2 8 升压控制电路 图2 9 降压控制电路 图2 1 0 电感数值小时l e d 电压波形图 图2 1 l 电感数值大时l e d 电压波形 图2 1 2l m 3 1 7 m 恒流控制电路 图2 1 3 简易变压器式l e d 稳压驱动电路 图2 1 4 简易电容降压式l e d 驱动电路 图2 1 5l e d 发光显示牌结构图 图2 1 6 点光源转换为面光源的工作原理图 图2 1 7 导光点的作用示意图 图2 1 8l e d 电流与导光板亮度关系 图2 1 9 测试位置示意图 图3 1 光生伏打效应原理图 图3 2 太阳电池的电路图及等效电路图 图3 3 太阳电池的电流一电压关系曲线 图3 4 常用的太阳电池电流一电压特性 图4 1b u c k 电路拓扑图， 图4 2b u c k 变换器电路工作过程 图4 3b o o s t 变换器拓扑 图4 4b o o s t 变换器电路工作过程 图4 5b u c k b o o s t 电路原始拓扑图 图4 6b u c k b o o s t 实际电路图 图4 7b o o s t b u c k 变换器 图4 8c u k 变换器实际电路 图4 9 c u k 变换器中电流和电压的分配 图4 1 0 充放电控制器基本原理 图4 1 1 单路旁路型充放电控制器电路原理图 图4 1 2 单路串联型充放电控制器电路原理图 图4 13 控制器过欠电压检测控制电路组成和工作原理图 图4 1 4 多路充放电控制器电路原理图 图4 15 采用单片机组成的m p p t 充放电控制器原理框图 图4 1 6 过充控制电路o母m挖m”博他n控丝m笛勰凹如如勰如“舵轮舵们钙郇钉钾 图4 1 7 过放控制电路 图4 1 8 短路保护电路 图4 1 9 控制器电源稳压电路 图4 2 0l e d 指示电路 图4 2 1x d 6 6 0 1 d 控制器原理图 图4 2 2 恒流控制器原理结构图 图4 2 3 控制器工作原理流程图 图4 2 4 充电电路图 图4 2 5 放电电路图 图4 2 6 对负载l e d 供电的原理流程图 图4 2 7p w m 输出波形图 图4 2 8 控制器电源稳压电路图 图4 2 9 单片机外围电路 图4 3 0l e d 指示电路 图4 3 1 主程序流程图 图4 3 2 实验波形图 图4 3 3 普通控制器与p w m 控制器实验结果比较 如如”跎舛卯甜矾酡甜：含 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒世业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字 签字日期：伽f 年r 月叫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒起工些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥缒王些盔 ：! 整一司以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 饰、辛 签字日期：稍月、f 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话 邮编 导师签名：； i 签字日期妒5 年，月i 日 拓 致谢 在本人攻读硕士学位近三年的时间里，自始至终得到了导师张兴教授的悉 心指导和无微不至的关怀照顾，无论从课程学习、论文选题，还是到资料收集、 论文撰写，都倾注了张老师的大量心血。张老师严谨的科研态度，广博的理论 知识，丰富的工作经验、务实的工作作风使我受益匪浅，也将形成对我的人生 准则。在此，谨向张老师表示最诚挚的敬意和谢意! 感谢北京高科能光电技术有限公司总经理王国华研究员的无私帮助，一年 多来在北京高科能的科研和学习使我的理论和实际充分结合，收获颇多。在此 表达我对王总最衷心的祝福! 在学习期问，葛锁良副教授和杜少武副教授为我平时解惑答疑，他们对我 的热情指导、言传身教使我受益匪浅、终生难忘；还有赵涛同学不辞辛劳对我 课题研究的鼎力协助也让我收获颇丰。在此向他们表示由衷的感谢! 在课题的设计过程中，实验室的谢震、许颇、张强、杨淑英等师兄，邓凡 李、徐剑飞、汪令祥、方亮、倪华、姚丹、司嫒嫒、童鸣等同学给予了我热情 的帮助和大力支持，衷心的感谢他们! 感谢我的父母和妹妹，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支持。他们对 我深深的爱和无私的奉献，是我无法用言语所能表达的f 我的任何成绩都应归 功于他们对我的教育和支持。 最后，向所有关心、支持和帮助我的老师、亲人和同学再次表示我最衷心 的感谢! 祝福他们! 恳请所有读者多提宝贵意见，不吝赐教。 作者：余发平 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义1 3 。1 4 】【2 1 2 2 】 2 5 】 2 9 l 【4 4 4 5 历史进入了二十一世纪，环境污染和能源短缺愈来愈制约着人类的发展， 大力发展可再生能源已成为二十一世纪世界经济发展中最具决定性的五项技术 之一。充分开发太阳能是世界各国政府可持续发展战略决策。太阳能光伏系统 包括光伏照明系统、光伏水泵系统、光伏扬水和照明综合系统和光伏并网系统 等。其中光伏照明系统被认为是人类最理想的照明供电解决方案。 光伏照明系统主要应用于无电地区城镇道路照明，尤其适用于曰照强度高、 太阳能资源丰富、无电网或远离电网及环保节能地区的路灯工程照明。能有效 利用自然能源，通过安全的清洁发电来照明的系统，是供电困难环境下最佳照 明系统。整个过程自动控制，无需人为操作。 传统的光伏照明系统由太阳电池板、蓄电池、充放电控制器、逆变器和传 统光源灯具等几部分组成，如图1 1 所示。太阳光照到太阳电池板，电池扳产 生电流，当光照度达到一定值时，启动充电控制电路，向蓄电池进行充电，当 光照度减到一定值时，启动放电控制电路，经逆变器电路，向传统光源灯具供 电。但一直以来，传统的光伏照明系统普遍存在交流逆变不可靠、低温启动难、 灯管寿命短、功耗高以及系统造价高等缺点。因此，寻求一种性能可靠、可直 流驱动的新光源来替代传统光源成为光伏照明系统亟待解决的一个重要问题。 r l i 西i l e d 灯 图11 传统的光伏照明系统图 图12l e d 光伏照明系统图 早在2 0 世纪6 0 年代，人类就已经掌握了一种新型半导体光源一l e d 的 发光原理，并开始大量用于各种仪器仪表的指示光源。随着2 0 世纪9 0 年代固 体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近1 0 年来l e d 技术取得 了突飞猛进的发展。l e d 以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速 度快、冷光源和低功耗可直流驱动等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示 屏和景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，如家用电器、电话机、 仪表板照明、汽车防雾灯和交通信号灯等。正是基于上述优点，使得l e d 逐渐 取代传统光源应用于光伏照明系统，彻底地解决了传统的光伏照明系统存在的 交流逆变不可靠、低温启动难和灯管寿命短等缺点。图1 2 为l e d 光伏照明系 统结构图，相比于传统的光伏照明系统少了一个复杂而性能又未必可靠的逆变 器环节。 l e d 光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照 明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪8 0 年代 末提出的新概念，我国“绿色照明工程”的实施始于1 9 9 6 年。实现这一计划 的重要步骤就是要发展和推，1 高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境 及光污染，建立一个优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的 重要问题。在照明领域，l e d 发光产品的应用正吸引着世人的目光，l e d 作为 一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。二十一世纪将进入以l e d 为代表的新型照明光源时代。 与此同时，由于太阳能技术在过去l o 年来的大幅度提高，太阳能作为低功 耗直流电源已实现了实用化，成本大幅度降低。l e d 技术和太阳能技术可以说 相得益彰，二者的结合可以在很大程度上摆脱对传统电源和人工维护等方面的 依赖和由此带来的成本。使用太阳能l e d 灯具有极高的社会效益和经济效益， 可以免维护、节省能源和利于环保，同时具有高度的可靠性，可以为交通安全 提供最佳保障。 1 2 本课题的研究内容【1 l 1 3 】【2 1 2 2 本课题涉及2 大新领域：太阳电池光电转换技术和半导体发光材料的应用。 主要任务是： ( 1 ) 结合l e d 光源特性、光学级导光板和扩散膜和反射膜的工作原理， 设计一种5 平方米以下l e d 发光显示牌系统； ( 2 ) 对太阳电池、蓄电池和l e d 负载进行优化设计； ( 3 ) 结合太阳电池光电转换技术、蓄电池充放电特性和l e d 光源特性研 制一种适用于l e d 光伏照明系统且性能可靠的充放电控制器，达到各种控制和 保护的功能。 1 ，2 i 课题来源及技术指标 本课题名称为“应用光伏电源的半导体照明系统技术开发一一太阳能供电 的半导体发光显示牌系统”，由合肥工业大学电气与自动化工程学院和北京某公 司共同承担。其主要技术指标是： 1 l e d 发光显示牌系统 光效：大于或等于2 5 l m w 2 配套蓄电池：镍氢蓄电池 配套充放电控制器：d c l 2 v 3 a 微功耗智能控制器 耗电：小于4 w m 2 特点及功能：超薄超亮、导光均匀、节能环保、无暗区 使用环境温度：4 0 + 7 0 2 充放电控制器主要技术指标 蓄电池充放电最大电流：8 a 蓄电池额定电压：1 2 v 使用环境温度：4 0 + 7 0 保护功能：蓄电池过充电、过放电保护；蓄电池开路保护、夜间防反 充电保护；太阳电池反接保护；光控延时动作：浮充保护；温度补偿；光控输 出。l e d 灯具负载稳压控制。 1 2 2 系统解决方案 1 太阳能l e d 发光显示牌系统 选取l e d 与光学级导光板进行特殊封装，运用光学折射原理，将点光源转 换成面光源，配合太阳电池板和微功耗智能控制器和镍氢蓄电池组成太阳能 l e d 发光显示牌系统。以5 平方米以下的太阳能灯箱为主导产品，无灯丝光源、 无逆变器能量损耗、太阳能系统直流供电、耗电极低( 小于4 w 平方米) 、亮 度高、能够在一4 0 + 7 0 环境下正常启动、系统寿命达到1 0 年以上。广泛应 用在城市亮化工程以及各种交通标志、广告灯箱、公共标识指示和高速公路标 志。图1 3 为其在交通领域的应用，除太阳电池板放在灯箱顶部之外，其余都 放在灯箱内部。主要研究内容为： ( 1 ) 导光板工作原理； ( 2 ) l e d 发光显示牌的设计。 ( a ) 发光牌启动前( b ) 发光牌启动后 图134 w 太阳能发光交通标志牌系统 2 系统优化设计 3 在总结太阳电池和蓄电池特性的基础上，对系统进行优化设计，包括太阳 电池方阵最佳倾角的确定、太阳电池和蓄电池容量的确定和系统功率匹配等方 面。 3 充放电控制器的设计 无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制器是必不可少的。为了 延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电 及深度放电。另外，由于光伏照明系统中太阳电池输入能量极不稳定，光伏照 明系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。光伏照明 系统的优化设计成功与否，最主要就取决于充放电控制器性能的优劣。没有一 个性能良好的充放电控制器，就不可能有一个性能良好的光伏照明系统。 本文先对充放电控制器几种常用的基本电路和控制技术进行了总结，并简 单介绍分析了几种常用的充放电控制器。最后重点介绍一种采用p i c 单片机作 为主控制器件来实现大部分功能的充放电控制器，其主要研究内容如下： ( 1 ) 实现对蓄电池进行全充、浮充结合涓充等多种充电方式充电； ( 2 ) 对负载l e d 实现p w m 稳压限流供电； ( 3 ) 纯光控( 延时保护) 、光控结合时控可调等多种控制方式进行控制： ( 4 ) 对太阳电池和蓄电池进行各种保护。 1 3 论文的安排 本课题得到科技部“十五”攻关项目光伏与风力发电商业化技术开发 支持，论文具体章节安排如下： 全文分五章： 第一章为绪论，介绍了课题研究的目的、意义及系统解决方案。 第二章为光源特性研究，介绍了四代电光源的发展，并重点分析了l e d 光源的特性、驱动电路的设计以及与传统光源性能的比较。并研制设计了l e d 发光显示牌系统。 第三章对l e d 光伏照明系统进行了优化设计，包括系统功率匹配和蓄电 池容量的确定等方面。 第四章详细介绍了充放电控制器的设计，并给出了相关实验结果和波形。 第五章分析了现行充放电控制器和l e d 发光显示牌性能方面的一些不足， 并给出了总结和展望。 4 第二章电光源特性的研究和l e d 发光显示牌系统的设计 电光源是将电能转换为光能的器件或装置，广泛用于日常普通照明、城市 夜间照明、国民经济生产、国防和科研等方面。 随着电光源工业技术的发展，各种新光源产品不仅在数量上，而且在质量 上都有很大的提高，各种发光效率高、显色性好、使用寿命长的新型电光源不 断出现。本章主要介绍电气照明领域中常用的电光源的种类、工作原理以及电 光源的选择和应用，并重点阐述l e d 光源特性。 2 1 电光源的概述1 2 】 4 4 1 2 1 1 电光源的发展史 1 8 7 9 年，美国人爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯，使人类从漫长 的火光照明进入了电气照明的时代。以后白炽灯的进一步完善，低压钠灯和高 压汞灯的发明，特别是荧光灯和卤钨灯的问世是电光源技术的一大突破。2 0 世 纪6 0 年代开发了高压钠灯和金属卤化物灯，8 0 年代出现了紧凑型节能荧光灯、 小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯，近期开发了照明用发光二极管，使电 光源进入了高性能化、节能化和电子化的新时期。 2 1 2 电光源的分类 电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的， 辐射出主要为人眼视觉可见光谱( 波长3 8 0 7 8 0 n m ) 的电光源，其规格种类繁 多，功率为0 0 1 w 5 0 k w ，使用量占电光源总产量的9 5 以上。辐射光源是 能辐射出大量的紫外光( 1 3 8 0 n m ) 和红外光( 7 8 0 1 x 1 0 6 n m ) 的电光源， 紫外光源用在部分装饰照明和间接照明中，但大部分用在多类工业用辐射照明 中。以上两大类电光源均为非相干光源。此外，还有一类相干光源，它通过激 发态粒子在受激辐射作用下发光输出光波波长从短波紫外光直到远红外。这种 光源称为激光光源。 照明光源品种很多，按其发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致 发光光源( 又称固体发光光源) 三类，如图2 1 所示。 1 热辐射发光光源：电流将灯丝加热到白炽程度而产生热辐射发光的一种光 源。包括白炽灯和卤钨灯两种，它们都是以钨丝作为辐射体，通电后使之达到 白炽程度时产生热辐射。目前自炽灯仍是重要的照明光源。 2 气体放电光源：电流通过灯管中气体或金属蒸汽，而产生放电发光的一种 光源，常用的气体放电光源有荧光灯、钠灯、荧光高压汞灯和金属卤化物灯等。 气体放电光源具有发光效率高、使用寿命长等特点，且一般应与相应的附件配 套才能接入电源使用。气体放电光源按放电的形式分为弧光放电灯和辉光放电 灯。 ( 1 ) 弧光放电灯弧光放电灯是利用气体弧光放电产生光。弧光放电的 特点是阴极位降较小。根据这些光源中气体的压力的大小，又可分为低压气体 放电光源和高压气体放电光源。 低压气体放电光源包括荧光灯和低压钠灯，这类光源的气体压力低，组成 气体( 主要是汞蒸气和钠蒸气) 的原子距离比较大，互相影响较小，因此它们 的光辐射可以看成是孤立的原子产生的原予辐射，这种原子辐射产生的光辐射 是以线光谱形式出现的。如荧光灯由原子辐射主要产生的紫外线辐射，但因荧 光灯管壁上涂有荧光粉，在紫外线辐射作用下，激发形成可见光。 高压气体放电光源包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和氙灯。这类 光源的特点是灯管中气压较高，原子之间距离比较近，相互影响比较大，电子 在轰击原子时不能直接与一个原子作用，从而影响了原子的辐射，因此这类辐 射与低压气体放电光源有较大的区别。但其辐射原理仍然是气体中的原子辐射 产生光辐射。高压气体放电光源管壁的负荷一般比较大，也就是灯的表面积( 玻 璃壳外表面) 不大，但灯的功率较大，往往超过3 w c m 2 ，因此又称为高强度气 体放电灯，简称h i d 灯。 ( 2 ) 辉光放电灯 辉光放电灯是利用气体辉光放电产生光。辉光放电的 特点是阴极的位降较大( 1 0 0 v 左右) 。这类光源通常需要很高的工作电压，如 霓虹灯。 3 固体发光光源：固体发光光源主要包括场致发光灯和发光二极管。两极之间 的固体发光材料在电场激发下发光的电光源称场效发光的电光源，又称e l 灯。 发光二极管( l e d 灯) 将在下文中详细阐述。 6 电光源 热辐射发光光源白炽灯f 凳喜筹 l 卤钨灯 气体放电发光光源 弧光放电灯 高气压灯l 墓熏鍪物灯 低气压灯f 蔫誊嚣灯 辉光放电灯 霎磐灯 i 乃l j 固体发光光源 鬟凳兰裳誊源 2 2 四代电光源【1 1 。1 2 图21 电光源分类 经过人们对光源的不断研究与开发，从太阳光、月光等自然光到各种燃烧 光源，人类的照明从汽灯、白炽灯等照明方式，发展到各种光源及近来使用的 半导体光源，电光源共经历了四代的发展： 第一代电光源： 第二代电光源： 第三代电光源： 第四代电光源： 2 2 1 白炽灯 白炽灯( 卤钨灯) 荧光灯( f i 光灯、节能灯) 高强度气体放电灯( h i d ) 半导体发光二极管( l e d ) 白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用其热辐射而发出可见光的电光 源。自爱迪生发明具有实用价值的白炽灯以来已有一个多世纪了，但目前仍然 被广泛地使用。原因是它发出的光线具有连续光谱，且显色性好、亮度高、易 于聚光、不需要点灯电路、只要接通光源、点灯非常容易等优点。另一方面， 由于发光效率低，热辐射量大等缺点，今后会逐渐向效率高的光源转换。 2 2 2 荧光灯 荧光灯是一种热阴极低压汞蒸气放电灯。利用放电产生的紫外线，通过荧 光粉转换成可见光的光源。荧光灯投入市场已有6 0 多年的历史，迄今为止，仍 是气体放电灯中使用最广泛、最成功的灯种之一。其原因是它能最有效地把电 能转变成可见光。近2 0 年来，人们开发成功许多节能型荧光灯，彻底改变了照 明光源面貌。 2 2 3 高强度气体放电灯 h i d 灯是h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p s ( 高强度气体放电灯) 的简称。是 高压汞灯、金属卤化物灯以及高压钠灯的总称。这些灯在高亮度、高效率、长 寿命和形状外观和用途等方面都有很多相同点。 利用在充有汞的电弧管内产生高压( 0 2 l m p a ) 汞蒸气放电，从而获得 可见光的光源即高压汞灯。它的发光效率可达2 0 6 0 1 m w ，广泛用于环境温度 为2 0 4 0 。c 的街道、广场、绿地及树木、高大建筑物、交通运输照明以及厂房 等场所的室内照明光源。 将金属卤化物充入电弧管内，利用金属原子电离激发而发光的电光源，称 为金属卤化物灯。它具有发光效率高、光色好等特点，适宜于作城市夜景照明、 体育场照明、道路照明和室内照明光源。金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上， 在放电管中加入了各种不同的金属卤化物，它依靠这些金属原子的辐射，提高 灯管内金属蒸气的压力，有利于发光效率的提高，从而获得了比高压汞灯更好 的光效和显色性。 高压钠灯是利用高压钠蒸气放电发光的一种高强度气体放电光源，广泛应 用于对显色性要求不高的场所。 2 2 4 半导体发光二极管 发光二极管是利用半导体的p n 结或类似结构在通以正向电流时发出可见 光或紫外、红外辐射的电光源。高亮度和超高亮度l e d ，特别是白色l e d 已 逐渐走进照明应用中。l e d 的发展史、发光原理和驱动电路的设计将是下文阐 述的重点。 2 3l e d 光源特性1 2 】【15 1 6 】【2 1 】 2 3 1 【4 6 近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用 节能环保的新技术，半导体照明就是这种魅力的新技术。所谓半导体照明，是 指用半导体发光二极管( l i g h t i n ge m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 作为光源的固态 照明。因白光l e d 最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以白 光l e d 照明最有魅力。应用半导体p n 结发光原理制成l e d 问世于2 0 世纪6 0 年代初，9 0 年代以来，随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起，以及白色 l e d 的研究成功，使实现半导体发光l e d 照明成为可能。l e d 被认为是2 1 世 纪最有价值的新光源，l e d 照明取代传统照明成为人类照明的主要方式，将是 大势所趋。 2 3 1l e d 光源的发光原理 l e d 光源其实是一个p n 结的二极管。它由管芯即发光半导体材料和导线 支架组成，管芯周围由环氧树脂封装，以保护管芯，见图2 2 。在热平衡下， 半导体p n 结n 区的电子扩散到p 区，p 区的空穴扩散到n 区，这种互扩散运 动的少数载流予聚集在p n 结的两侧，形成势垒，势垒产生的电场将阻止互扩 散运动的继续进行。当p n 结上施加正向电压时，其势垒降低，注入少数载流 子，n 区电子注入p 区，而p 区空穴注入n 区。注入的少数载流子将和该区原 有的多数载流子复合发光。复合发光根据能带结构，带间的复合可分为直接跃 迁和间接跃迁两种。发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐 射和光能传输。 图2 2 发光二极管结构图 1 一引线 2 一p n 结芯片3 一环氧树脂帽 l e d 的工作情况与标准的硅二极管相同，在正向电压达到2 v 以前，正向 电流很小；随着电压继续上升，电流增长速度很快，大量电子流入p 结，使管 芯半导体晶体发光，见图2 3 。 i 可墨誊十可笋光 罱：孥 ( a ) p n 结二极管示意图 ( b ) p n 结二极管发光模型示意图 图23l e d 光源的发光原理 1 单色l e d 光源的发光原理 当电流从p n 结的阳极流向阴极时，管芯半导体晶体就会发光，光的颜色 取决于使用的晶体材料的种类。从l e d 发光过程看出，一是发出的光为单色光： 二是不同的管芯半导体材料发出不同的单色光，l e d 能发出紫外到红外不同颜 色的光：三是发光的强弱和正向电流有关。 2 白光l e d 光源的发光原理 对于照明来说，人们更需要的是白色的光源，白光是多种颜色混合而成的 光。目前实现白光l e d 的技术大抵可分为三种：一是用i n g a n 蓝色l e d 激发 钇铝石( y a g ) 荧光粉或其它荧光粉；二是利用三基色( r g b ，即红光、绿光、 蓝光) 原理将红、绿、蓝三种高亮度l e d 混和成白光；三是用紫外光l e d 激 发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产 业化，其结构也从单芯片到多芯片不等，如表2 1 所示。 表2 1 白光l e d 的种类和发光原理 芯片数激发源芯片材料和荧光发光原理 粉 蓝色l e di n g a n y a g 荧光i n g a n 蓝光激发y a g 黄色 粉 荧光粉混合成白光 蓝色l e d i n g a n y a gi n g a n 蓝光激发红绿蓝三 单芯片三基色荧光粉基色荧光粉混合成白光 型 蓝色l e d由薄膜层发出的蓝光和基 z n s e 板上激发出的黄光混合成 白光 近紫外l e di n g a n 三基色荧i n g a n 近紫外、紫外光激 紫外l e d光粉发红绿蓝三基色荧光粉混 合成白光 蓝色l e d i n g a n 黄色l e dg a p 双芯片蓝色l e d i n g a n具有补色关系的两种芯片 西9 黄绿l e dg a p 封装在一起构成白光 黄绿l e di n g a n 黄色l e dg a p 三芯片红、盛、绿l e da l i n g a p 、 三基色芯片封装在一起构 型i n g a n 、i n g a n 成白光 四芯片黄色l e dg a p 、a l i n g a p 将遍布可见光取得多种芯 删 三基色l e d i n g a n 、i n g a n 片封装在一起构成白光 2 3 2l e d 光源的基本特性 从照明角度看，要有效地利用l e d 光源，就必须对它的光、电和热特性 及一些基本参数有所了解。 1 l e d 的光和颜色特性 ( 1 ) l e d 的光特性 最早的l e z ) 的光效很低，只有4 5 l m w ，后来随着芯片晶体的生长和荧 光粉的改进，现在白光l e d 的光效可达3 54 0 1 m w ，预测到2 0 1 0 年可达 6 0 1 m w 。其光效介于白炽灯( 1 4 1 m w ) 与紧凑型荧光灯( 8 7 1 m w ) 之间。 ( 2 ) l e d 的光谱特性 l e d 的发光原理决定了它发光的单色性，不同材料的l e d 对应不同的主 波长九d 和不同的光谱曲线，各谱线的半宽度九有一定的差异，详见表2 2 。 表2 2 各主波长b 谱线x 主波长 d 4 3 04 7 05 7 05 9 06 2 56 4 27 0 0 峰值波长 4 3 04 6 55 6 85 8 86 3 56 6 0 。 半宽度 6 5 2 82 83 53 82 01 0 0 入 ( 3 ) l e d 的光强分布特性 目前l e d 发出光束的角度用1 2 半宽度角e m 表示，即光强降到峰值光强 1 2 时的光束角，见图2 4 。由于目前的l e d 光源都是对称的透镜，所以它的扩 散角为2 0 1 2 。l e d 的光强分布曲线都可用i 。= c o s ”0 表示。因此，在利用多个 l e d 集中起来制成“二次光源”时，在计算上比较方便的。 l 7 i ( _ ) 1 0 0 m a 8 0 1 a 6 0 1 a 4 d “ 2 0 m l 刁 一5 v r， 3 5 v 2 0 ) 一7 v o 2 v ( a ) s f 5 0 t u v i3 紫外l e d 伏安特性 ( b ) g a p 红色l e d 伏安特性 图2 5l e d 伏安特性 ( 2 ) l e d 的发光特性 l e d 的发光亮度，基本上正比予其通过的电流强度。一。种典型g a a s p 的 l e d 发光特性如图2 6 所示，图中纵坐标p 是l e d 通过电流i 时的发光功率。 亮度正比于电流密度这种特性，对于采用脉冲驱动的方式来说是很有利的，它 可以在平均电流与直流电流相等的情况下获得较直流电流更高的亮度。 图26g a a s p l e d 发光特性 3 l e d 光源的热特性 ( 1 ) l e d 的工作和环境温度的关系 l e d 的设计环境温度是2 0 + 7 0 ，其宽温范围有利于设计和应用，但 需十分小心l e d 内部的p n 结工作温度，它的变化会导致器件的颜色变化。典 型数据如下：红色是1 2 0 ，白色是1 0 0 ，应保持温度范围小于1 0 5 ，在设 计和装配时应考虑发热造成效率的下降。 超过这个温度后，l e d 的发光和寿命就会减少。当环境温度从2 0 增加为 6 0 时，光输出就减少一半。根据使用场合在设计外壳时必须注意热量带来的 问题。 ( 2 ) 环境温度对l e d 发光的影响 l e d 的发光强度与使用的环境温度有很大关系，一般的趋势是温度越低， 发光越强，反之则越弱。 除此之外，温度变化对l e d 的主波长也有影响。实验表明，一般情况下， l e d 在恒定电流下工作，电压随温度变化到稳定时，l e d 所消耗的电能是一定 的。若不控制温度，稳定的电功率就会产生不同的工作条件。光辐射的相对光 谱分布将受到两方面的影响：一是光谱分布曲线的形状；二是随着温度的升高， 整个光谱分布曲线的主波长会发生偏移。 2 4l e d 驱动电路的设计【2 1 】 4 0 - 4 1 】 4 4 l e d 驱动电路的主要任务是将交直流电压转换为可驱动l e d 的直流电 压，完成与l e d 的电压和电流的匹配。由于单个l e d 所发出的光通量还不够 大，因而无论用于照明还是用于信号，都要将若干甚至大量l e d 以串联和并联 的方式连接在一起使用( l e d 的低放热特性允许将它们布置成紧密的陈列结 构) ，这当然会增加控制的难度，但是它们的控制原理是相通的。 2 4 1 直流转换为直流驱动 l e d 直接进行控制方式电路如图2 ，7 所示，图中r 是起限流作用，v t 控制 l e d 工作。例如l e d 的额定工作电流是2 0 m a ，长期超过这个电流工作，容易 使l e d 的半导体芯片烧坏。为保证l e d 的工作电流为2 0 m a ，可根据电源电 压e 的大小及v t 的管压降，确定限流电阻的大小，该控制；h 式g - 易按控制要 如大量t t l 电路中使用5 v 电压驱动，在电阻上要消耗掉s o g 至更多的电能。 光亮度明显变化。由于这种控制方式较为简单，所以是目前使用较多的一种 这种控制方式是不科学的。 t 5 i l e 。 k卜1 一、l 二。 2 升压驱动方式 由l e d 伏安特性可知，当l e d 外加电压大于开启电压，发光二极管导通 后，电压略有提高，流过l e d 的电流上升很快，而l e d 的发光强度随着电流 的上升接近线性增加。l e d 适合在脉冲情况