应用电子技术毕业设计（论文）-LED照明的应用研究.doc

LED 又称发光二极管 它们利用固体半导体芯片作为发光材料 当两端加上 正向电压 半导体中的载流子发生复合 放出过剩的能量而引起光子发射产 生可见光 发光二极管主要由 PN 结芯片 电极和光学系统组成 其发光过程包括三 部分 正向偏压下的载流子注入 复合辐射和光能传输 微小的半导体晶片 被封装在洁净的环氧树脂物中 当电子经过该晶片时 带负电的电子移动到 带正电的空穴区域并与之复合 电子和空穴消失的同时产生光子 电子和空 穴之间的能量 带隙 越大 产生的光子的能量就越高 光子的能量反过来 与光的颜色对应 可见光的频谱范围内 蓝色光 紫色光携带的能量最多 桔色光 红色光携带的能量最少 由于不同的材料具有不同的带隙 从而能 够发出不同颜色的光 二十一世纪将进入以 LED 为代表的新型照明光源时代 被称为第四代新 光 LED 在未来 10 年将成为最被看好的市场以及最大的市场 也将是取代 白炽灯 钨丝灯和荧光灯的最大潜力商 关键词关键词 LED 发光二极管 新型照明光源 半导体照明技术 第一章第一章 概述概述 3 1 1 关于照明 3 1 2 LED 照明技术 4 第二章第二章 LED 的基础的基础 6 2 1 发光机理 6 2 2 LED 的光学特性 8 2 3 LED 的优点 9 2 3 1 功能性 9 2 3 2 艺术性 10 2 3 3 绿色环保 10 2 3 4 经济性 10 2 4 LED 电气特性 11 2 5 白色 LED 及其照明系统 13 第三章第三章 LED 的驱动电路设计的驱动电路设计 16 3 1 直流转换为直流驱动 16 3 2 交流转换为直流驱动 19 3 3 LED 驱动电源设计要点 20 第四章第四章 LED 的应用的应用 22 4 1 LED 灯与建筑的 一体化 22 4 1 1大面积显示屏 22 4 1 2 LED与建筑构件的结合 24 4 2 LED 照明技术在灯光环境中的应用 25 第五章第五章 总结与展望总结与展望 26 参考文献参考文献 29 致谢致谢 31 第一章第一章 概述概述 1 1 关于照明 照明技术的发展与人类文明的进步息息相关 人类从原始的薪火延续到灯光照明的现代文明时经历了漫长的岁月 在 建筑室内外光环境的创造中 出现了光环境与主体间的诸多变异 当人类高高举起第一根火把时 就开始了照明领域的第一次革命 人类 从此有了自己能够控制的光源 1879 年 爱迪生发明了第一只白炽灯 碳丝白炽灯 在开始第二次照 明领域革命的同时 也拉开了人类现代文明的帷幕 然而那时的人工照明虽 为人们带来光明 却无法达到足够的照度 更不用说创造宜人的光环境 现代设计把照明视为创造光环境 是一种环境意识和技术上的进步 因 为光环境是包括照 灯光 建筑 相关环境因素和人在内的综合环境系统 这个系统的主体则是人 从环境科学的定义 大凡所谓环境 在人类生活的 空间里 离开了人这个主体 研究环境没有任何意义 因此 环境 是绝对 不存在的 光环境亦如此 这是因为 我们由光而生育 通过光线我们感到 季节的变化 只是由于光的指引我们得以了解这个世界 由此可以得出 物 质是耗费了的光 美国建筑师路易 康如此告诫 照度是衡量照明水平的一项基本指标 纵观二十年来各国制定的照明标 准 都体现了照度水平的提高 并且普遍把照度计算摆在照明工程里的重要 位置 这反映了人们对照明数量上的追求 同时是在技术进步的基础之上 增强了对照明科学性的重视 随着现代物质文化生活的不断发展 人们不再满足于物理与生理的要求 开始对精神生活提出了新要求 光环境作用于人的心理影响逐渐引起广泛的 关注 人们注重美 讲究环境效果 追求生活空间的装饰创意 要求将人们 的心理需求 体现在照明设计中 将照明质量提升到一个新高度 勒 柯布 西耶指出 建筑是对阳光下各种体量精确 正确 卓越的处理 所谓精确 正确 卓越 即是指科学合理的用光 处理则是指科学的规划与设计 上世纪 50 年代开始有建筑化照明的报导 建筑化照明是国外兴起的现 代装饰照明方式 具有有效消除眩光 美化环境等优点 大大提高了环境的 照明质量 提升了生活品味 因此深受人们的喜爱 在室内装饰照明中 尤 其是宾馆 酒店以及娱乐场所中被广泛应用 目前在国内 建筑化照明也得 到较快发展 建筑化照明基于人类的现代生活方式 创造出装饰照明的新理念和新模式 注重空间的装饰创意 关注人们的心理需求 通过科学技术和照明设计的完 美结合 实现了照明质量与空间艺术的统一 这种先进的照明方式符合照明 发展潮流 1 2 LED 照明技术 半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型 发光二极管又 叫光发射二极管 英文为 Light Emitting Diode 简称为 LED 是一种可将 电能变为光能的一种半导体器件 属于固态光源 2 LED是继1950年代硅 Si 半导体技术后 由三五族 III V族 化合物半导 体发展的半导体器件 LED的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而 发出光子 不同于灯泡需要在3000度以上的高温下操作 也不必像日光灯需 使用高电压激发电子束 LED和一般的电子元件相同 只需要2 4V的电压 在常温下就可以正常动作 因此其寿命也比传统光源来得更长 LED所发出的颜色 主要是取决于电子与空穴结合所释放出来的能量高低 也就是由所用的半导体材料的能量所决定 同一种材料的波长都很接近 因 此每一颗LED的光色都很纯正 与传统光源都混有多种颜色相比 LED可说是 一种数字化的光源 LED晶片大小可以因用途而随意切割 常用的大小为0 3 1 0mm左右 跟 传统的灯泡或日光灯相比 体积相对小得多 为了使用方便 LED通常都使 用树脂包装 做成5mm左右的各种形状 十分坚固耐震 N LED的基本结构 LED的制作过程与制作硅晶圆IC很相似 首先使用化学周期表中超高纯度 的III族元素 铝 Al 镓 Ga 铟 In 以及V族元素 氮 N 磷 P 砷 As 为材料 在高温下反应成为化合物 经过单晶生长技术 制成单晶棒 经过切割 研磨 抛光成为晶片 再将其作为基板 substrate 使用磊晶 技术将发光材料生长在基板上 制成的磊晶片经过半导体镀金和蚀刻工艺后 Al2O3 N Layer GaN P Layer GaN 通过细切加工成LED晶粒 值得注意的是 除了大家常见的可见光外 LED还有不可见光 如 紫 外光 与 红外光 等 例如电视遥控器就是一种红外光应用 其波长约为 900nm 而紫外光则因为具有杀菌功能 所以被广泛应用在医疗用途上 LED主要向大功率和小体积两个方向发展 1 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 的数码管或字元管则显得亮度不足 若要用于户外作信号或标 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 也就是一般所指的提高亮度 InGaAlP和nGaN LED晶片发光效率的演变 其中 a为InGaN蓝光LED b为 InGaN绿光LED 随著半导体材料及半导体工艺技术 设备的发展 LED的亮度不断提高 开 发出高亮度及超高亮度LED 并且不创造新记录 以 5标准封装 发红光 视角差别不大的LED为例 表1 1 不同生产年份LED的发光强度比较 表 1 1 从表1 1可以看出 近30年LED的发光强度提高了8000倍左右 1969 1987 年LED的发光强度是很低的 发展很慢 但1994 2005年LED的亮度有很大的 发展 表1列出的并非发光强度最高的 例如 在GaAs的衬底上采用AlInGaP 工艺技术制成的 5 红光LED 在小视角4 50mA工作电流时 其典型发 光强度为20000mcd 发光强度年份材料峰值波长 nm mcd lp ma 视角 1969 1987 GaAsP或GaP 6500 1 11020 1994AllnGaP654790 10002025 1998GaAlAs6601000 20002024 2005ALlnGaP6306000 80002030 第二章第二章 LED 的基础的基础 2 1 发光机理 用于照明的电光源 根据发光的机理主要可分为热辐射光源 气体放电 光源和场致发光光源等几大类 目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光 源和以荧光灯为代表的气体放电光源 而场致发光则是一种正在发展中的新 型面光源 场致发光又称为电致发光 根据发光原理的区别 场致发光有本 征场致发光和注入式场致发光之分 半导体发光二极管的发光为注入式场致 发光 是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象 半导体发光二极管发光原理 发光二极管是由 族化合物 如 GaP 磷化镓 GaAs 磷砷化镓 等半导体制成的 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 因此它具有一般 p n 结的 I U 特性 即正 向导通 反向截止 击穿特性 此外在一定的条件下 它还具有发光特性 注入的少数载流子与多数载流子复合时把会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 如图 2 1 p n 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 阳极流向阴极对 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 1960 年开发成功发光二极管 在 90 年代采用气相生长法替代传统而烦 杂的液相法 制成多层薄膜的 LED 简易结构 先后研制成功从红色到橙色 的 AlInGaP 和蓝色系列的 InGaN 发光材料 在 GaN 系列的基础上又研制成 功蓝色 470nm 蓝绿色 550nm 和绿色 525nm 的 LED 如表 2 1 发光二极管的种类很多 按发光材料来区分有磷化镓 GaP 发光二极 管 磷砷化镓 GaAsP 发光二极管 砷铝镓 GaAIAs 发光二极管等 按发光颜色来分有发红光 黄光 绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等 若按功率来区别可分为小功率 HG400 系列 中功率 HG50 系列 和大 功率 HG52 系列 发光二极管 另外还有多色 变色发光二极管等 发光二极管的构造基本上都差不多 可以参见图 2 2 了解一下 电子注入 Eg 导带 发 光 中 心 发光 空穴注入 N 区 结区 P 区 图 2 1 发光二极管发光原理图 表 2 1 主要 LED 发光颜色及材料 光色材料 发光层 红外AlGaAs InGaAsP 红GaP GaAsP AIGaAs AlIn GaP 黄GaAsP AlIn GaP 黄绿GaP AlIn GaP 绿In GaN 青In GaN SiC 紫外GaN In GaN 2 2 LED 的光学特性 LED 是利用化合物材料制成 p n 结的光电器件 它具备 p n 结结型器件 的光学特性 光谱响应特性 发光光强指向特性 时间特性 发光二极管有红外 非可见 与可见光两个系列 前者可用辐射度 后 者可用光度学来量度其光学特性 1 发光强度 法向光强 是表征发光器件发光强弱的重要性能 图 2 3 LED 大量应用要求是圆柱 圆球封装 由于凸透镜的作用 故都具有 很强指向性 位于法向方向光强最大 其与水平面交角为 90 当偏离正 法向不同 角度 光强也随之变化 发光强度随着不同封装形状而强度依 赖角方向 2 发光强度的角分布 是描述发光在空间各个方向上光强分布 它 主要取决于封装的工艺 包括支架 模粒头 环氧树脂中添加散射剂与否 白炽灯 荧光灯和充气灯 其光强分布范围几乎接近 4 空间 但是 LED 接近 2 空间的配光曲线都是很少的 因为 LED 的方向性很强 配光曲 线一般都采用极坐标来表示 对于 LED 只要 0 180 的极坐标就够了 只 需传统电光源使用坐标纸的一半 2 3 LED 的优点 现今用于照明的光源主要有三类 1 低光效的普通白炽灯和卤钨灯 光效为 12 24lm W 2 荧光灯 光效为 50 80lm W 3 HID 灯 光效为 80 150lm W 前者消耗照明用电的 40 产生总光通量的 15 后者消耗 60 的照明用 电 产生 85 的光 这三类光源的光效还有提高的可能 但都有一定的局 限 前者为热辐射原理和工作温度所限 而荧光灯则受 253 7 纳米紫外线转 换成可见光的能量效率的制约 但对 LED 光源基本上不存在这些限制 有人乐观地估计 即使今后 LED 技 术进步的速度只有以前 30 年的一半 也可指望到 2010 2015 年时其电光转 换效率达到 50 也就是光效为 200lm W 下图为一个 LED 模块 2 3 1 功能性功能性 发光效率不断提高 目前白光 LED 的光效已经达到 40lm W 优于白炽灯 次于荧光灯 60 100lm W 在彩色光照明应用中 因其不需滤色片 直接投射彩色光 避免了常规光源因为应用滤色片造成的超过 40 的光通量损失 人们按现 在 LED 技术发展的速度预测 到 2010 年 美国计划发光效率为 100lm W 韩国为 110lm W 日本为 120lm W 专家们预期 2020 年将达到 200lm W 超过所有照明光源的光效 光线质量高 现在使用的白炽灯工作的过程中 发出过多的热量 影响环境温度 LED 的光谱几乎全部集中于可见光波段 没有红外光和紫外光辐射 因此 被称为 冷 光源 属于绿色光源 适合在室内 尤其是对光效有特殊要求 的场所采用 如博物馆 展览馆等 2 3 2 艺术性艺术性 光色纯 LED 是分立的光谱 谱线狭窄 色彩丰富 鲜艳 可以有多样化的色 调选择和配光 光束集中 LED 发光大部分集中会聚于中心 发散角小 发射光角在 100 发光 均匀性好 可以减少眩光 减化灯具结构 节省遮光设备 小型化 LED 是用环氧树脂封装固态光源 其结构既不像白炽灯有玻璃泡 灯 丝等易损坏部件 也不像荧光灯有体积大的灯管和附件 它是一种全固体结 构 因此能经得起震动 冲击而不至损坏 而且体积也相对减小 重量也轻 应用灵活 可在狭小空间投光 利于隐藏 美化建筑环境 响应快 LED 灯响应时间短 可瞬间启动 反复开关 可灵活控制 加上时序 控制电路可实现多种动 闪 跳的灯光变幻 LED 发光的响应时间为纳秒 级 荧光灯一般为毫秒级 2 3 3 绿色环保绿色环保 低功耗 节能省电 一般 LED 灯使用低电压 低电流驱动 功率为 0 06 1W 功率因数接 近于 1 不仅 LED 灯本身省电 与之配合的供电电源的耗电量也大大降低 用量大的可以通过多种方式组合或集成 以满足不同需要 减少浪费 绿色环保 现在广泛使用的荧光灯 汞灯等光源中含有危害人体健康的汞 这样在 发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害 而 LED 不 含汞 铅等有毒成份 没有玻璃 废弃物可回收 减少了对环境的污染 是 一种无污染的光源 相比之下 荧光灯具的灯管中含汞 而且用于封装荧光 灯具的材料又以可吸收紫外线的玻璃为主 玻璃易碎的特性加上汞废料的不 易回收 均会严重地造成环境的污染 欧盟已经明令将在 2007 年开始禁用 这些含汞制品 2 3 4 经济性经济性 寿命长 目前彩色 LED 的寿命可达 5 10 万小时 低功率白光 LED 的寿命超过 3 万小时 高功率白光 LED 的寿命都在 2 万小时以上 由于寿命长 经久 耐用 减少了维护维修费用 降低了成本 相比之下 白炽灯的寿命只有 1000 2000 小时 荧光灯可达 18000 小时 光线利用率高 LED 色彩丰富 艳丽 需要彩色光线时使用时无须滤光片 光线利用 率 100 相比之下 加装滤光片后 其它光源只有少于 40 的光线可利用 安全可靠 由于 LED 灯的正向工作电压低 为 1 5 3 0V 工作电流小 为 5 150mA 耗电量低 寿命长 不易破碎 使用的安全性 可靠性大大提 高 可用于易燃 易爆 水下 高塔 桥梁等不易到达的地方 综上所述 从 LED 灯与传统灯性能对比可以看出 如表 2 2 LED 是一种 符合照明技术发展大趋势和绿色环保要求的光源 表 2 2 LED 灯与传统灯性能对比 名称耗电量 W 工作电压 V 协调控制发热量可靠性使用寿命 h 金属卤素 灯 100220不易极高低3000 霓虹灯500较高高高宜室内3000 镁氖灯 16W m220 较好较高较好6000 日光灯4 100220不易较高低5000 8000 冷阴极15W m需逆变较好较好较低10000 钨丝灯15 200220高高低3000 节能灯3 150220不宜调光低低5000 LED 灯 极低12 36多种形式极低极高10 万 2 4 LED 电气特性 LED 是低压驱动的冷光源 它的性能受到使用条件和驱动器性能的制 约 高亮度 LED 一般的导通电压在 3 0 4 3V 其电流 电压关系为 IF IS eVf KT 1 1 1 I s 为饱和导通电流 V F 为正向电压 I F 为正向电流 LED 的电气特性因制造工艺的不同有较大差距 就是同一批产品差距 也很大 如图 1 1 所示 同一正向电压下 LED 的导通电流有很大的偏差 同时 LED 的使用寿命受工作温度的影响 从图 1 2 可以看出 LED 额定 亮度随着工作时间下降 可以看出工作温度越高 使用寿命越短 研究表明 LED 亮度下降后 达到同一驱动电流的驱动电压会下降 LED 光效随着驱动电流的增大而减小 驱动电流和亮度成饱和曲线关系 当驱动电流达到额定电流的 70 80 后 再增加的导通电流很大部分转 化成了热能 使 LED 温度迅速上升 14 为了提高 LED 的最大电流利用空间和可靠性 获得要求的流明度和染 色性 LED 推荐工作在 70 80 的额定电流 并且使用恒流驱动 在使 用恒压驱动或者 PWM 脉冲电流调光的应用中 最大电流不宜超过最小电 流 3 倍 否则冲击电流会大大减少 LED 使用寿命 从式 1 1 和图 1 1 可以看出 LED 的电流与驱动电压成指数关系 在导通区间内 驱动电压从额定值的约 80 上升到 100 正向导通电流 从 0 上升到 100 在仿真过程中 为了更好体现 LED 的驱动状态 可 以将特性如图 1 3 a 所示的 LED 用图 1 3 b 的组合电路模拟 其中 D1 的导通压降为 VF 1 D 2 的导通压降为 在电路分析和参数计算过程中 因为 LED 的正向电压纹波较小 可以近似 认为其电压波动范围内电流 电压为线性关系 用电阻来代替 2 5 白色 LED 及其照明系统 1 白色 LED 对于一般照明而言 人们更需要白色的 LED 如图 2 4 1998 年发 白光的 LED 开发成功 并商品化 对于白色 LED 的研究 各国照明界都 十分重视 在短短的 4 年里 白色 LED 的光效有了惊人的提高 1998 年 时只有 5lm W 到了 1999 年时 已达 15 lm W 与一般家用白炽灯相当 而到 2000 年时 日立公司的试验样品的光效达到 25 lm W 可与卤钨灯相 媲美 2005 年时 LED 的光效达 40 lm W 到 2010 2015 年时 随着技术的进步和关键的突破 LED 光效有可 能达到 150 200 lm W 作为照明用的 LED 重要的特性参数是光亮度 能量 和光色 光谱能量分 布 对于 LED 来说单纯地增加输入功率 亮度会成比例地上升 但 LED 芯片的发热量会随之增加 过多的热将损坏它的结晶和封接而缩短寿命 因 此使输入功率的电能高效地转换成光能是最重要的关键技术 目前高输出型 LED 的外部量子效率仅为 10 左右 而空穴和电子对的能量中的 90 成 为内部热被耗损掉 因此将这部分内部耗损的热能转换成光能就可提高光亮 度 改进的途径有研究新的发光材料 提高发光层内部结合的几率 提高从 芯片中取出光的效率 所以将现在的 LED 的光亮度提高 3 4 倍 达到荧 光灯亮度的水平是完全可能的 日本日亚公司研制的以 GaN 为基础的 LED 芯片的光效以每年提高 10 20 的速度不断地改进 LED 的发光色已经实现了从紫外 可见直到红外几乎所有的光色 但 是它们都是在色度图上色纯度高的光源色 属于色度图的内侧位置中间的 LED 没有一例 而且单芯片自发出复数光色的多彩色的 LED 也无一例 而要制成中间色的 LED 以白色 LED 为例 则有两种方法 如表 2 3 一是将 LED 与特殊的不同种荧光粉相结合 如图 2 5 另一方法是将多芯 片材料混合制成混合色芯片 表 2 3 白色 LED 的种类和原理 芯片数激发源发光材料发光原理 蓝色 LEDIn GaN YAG In GaN 的蓝光与 YAG 的黄光混合 成白光 蓝色 LEDIn GaN 荧光粉In GaN 的蓝光激发的红绿蓝三基色荧 光粉发白光 GaN 蓝色 LEDZnSe由薄膜层发出的蓝光和在基色板上激 发出的黄光混色成白色 1 紫外 LEDIn GaN 荧光粉In GaN 的紫外激发的红绿蓝三基色荧 光粉发白光 GaN 2蓝色 LED 黄绿 LED In GaN GaP将具有补色关系的两种芯片封装在一 起 构成白色 LED 3蓝色 LED 绿色 LED 红色 LED In GaN AlIn GaP 将发三原色的三种小片封装杂一起构 成白色 LED 多个多种光色In GaN GaP AlIn GaP 将遍布可见光区的多种光芯片封装杂 一起构成白色 LED 2 白色 LED 照明系统 白色 LED 具有低电压驱动 体积小 重量轻 显色性好 调光性能好 寿命长 达 2 万小时以上 耐振动 不易损坏 色温变化时不会产生视觉 误差 LED 的光效仍在不断地提高 目前已达 25lm W 不久将来将达到 80 100lm W 是照明的理想光源 然而由于单只 LED 功率小 光亮度低 不宜单独使用 为此必须将多个 LED 组装在一起设计成为实用的 LED 照 明系统 则具有广阔的应用前景 目前世界大的照明公司都在开发不同应用 范围和品种规格的 LED 照明系统 光学系统设计内容如下 1 根据照明对象 光通量的需求 决定光学系统的形状 LED 的数目和 功率的大小 2 将若干个 LED 发光管组合设计成点光源 环形光源或面光源的 二次 光源 根据组合成的 二次光源 计算照明光学系统 3 构成照明光学系统设计的 二次光源 上的每只 LED 管子配光分布控 制十分重要 构成炮弹型 LED 的透明树脂的凸圆形保护头子起凸透镜作用 是决定单个 LED 发出聚光还是散光光束的重要部件 白色 LED 照明系统除可用电能 太阳能作能源外还可以用风能 燃料 电池等作为辅助能源 起到节电节能的作用 白色 LED 小巧量轻 驱动电 压低 有不同的光色 寿命长 耐振动 易于控光等特性 对设计用于不同 场所和目的的照明系统提供了优越条件 同一照明系统可选用不同光色的 LED 组合在一起 将驱动线路与调光线路相结合 可实现可调光 调色的 色可变照明系统 作为舞台照明有很好的演出照明效果 小巧轻量的 LED 可与灯具一体化 灯具既起支撑 LED 的作用又起供给 LED 的驱动电源作用 使照明系统薄形化可嵌入在顶棚内 粘贴在墙壁上等处 形成无照明器具感 的照明系统 具有良好的室内照明效果 长寿命的 LED 可多次重新使用位 置在新的照明系统中 使照明系统的更新简单 快速 方便 白色 LED 照 明系统还可将驱动点灯线路通过电脑与因特网相连 实现信息控制 如外出 办事或旅游 可通过手机发出指令对室内 LED 照明系统进行监控和信息化 管理 第三章第三章 LED 的驱动电路设计的驱动电路设计 LED 驱动电路的主要任务是将交直流电压转换为可驱动 LED 的直流电 压 完成与 LED 的电压和电流的匹配 由于单个 LED 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 LED 以串联 和并联的方式连接在一起使用 LED 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 3 1 直流转换为直流驱动 1 直接驱动方式 LED 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 VT 控制 LED 工作 例如 LED 的额定工作电流是 20mA 长期超过这个电流工 作 容易使 LED 的半导体芯片烧坏 为保证 LED 的工作电流为 20mA 可 根据电源电压 E 的大小及 VT 的管压降 确定限流电阻的大小 该控制方式 容易按控制要求实现 但限流电阻要消耗功率 电源电压越高 R 所消耗的 功率越大 例如大量 TTL 电路中使用 5V 电压驱动 在电阻上要消耗掉 50 甚 至更多的电能 另一方面 若拟通过降低驱动电压或串联 LED 来降低电阻 损耗 这在一定范围内有效 但是电阻太小时将难以起到限流的作用 电压 的少许波动就会导致发光亮度明显变化 由于这种控制方式较为简单 所以 是目前使用较多的一种 LED 控制方式 可是对由太阳能供电或其它以节能 为目标的 LED 照明系统 这种控制方式是不科学的 2 升压驱动方式 由 LED 伏安特性可知 当 LED 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 LED 的电流上升很快 而 LED 的发光强度随着 电流的上升接近线性增加 LED 适合在脉冲情况下工作 且不易发热 在 平均电流与直流电流相等情况下 脉冲工作发光强度更大 结合 LED 响应 速度快的特点 可以采用图 2 8 所示的升压控制电路 分析该电路的工作原 理 可知在控制电压 V1为脉冲信号低电平时 VT 截止 两端的电压为电源 电压与电感反电势之和 当控制电压 V1砰为脉冲信号高电平时 控制管 VT 导通 流过电感中的电流为 R 为该回路的等效电阻 这就是说 L 越小 R 越大 则电流上升越快 最大电流等于 E R 当 VT 截止时 电流通过 LED 而不产生突变 使 LED 开始工作 电阻大 电流上升快 但最大电流小 电感的贮能小 因而供应 电阻及 LED 消耗的时间就越短 而电感大 电流上升慢 电流还没有达到 最大值 三 极管已截止了 导致电感的贮能也小 从而供应电阻及 LED 消耗的时间就 短 在求允许最大峰值电流时 就需要 该电路的参数与脉冲频率有个合理的匹 配 需考虑 LED 的最大脉冲工作电流 应使芯片 PN 结区温度达到最高结温 在配置参数时还要考虑结温的上升率与 热阻稍有关系这一事实 这种电路的优 点是没有限流电阻 回路电阻很小 所 消耗的能量很小 电感中所贮存的能量 基本上提供给 LED 是较为节能的电路 3 降压驱动方式 降压控制方式电路如图 2 9 所示 分析 此电路得知 当 VT 导通时 电流从电 源 E 流经电感 L 和开关管 VT 到地 是电感电流建立的全过程 其电流的变 化规律可用式 2 3 表述 当 VT 截止时 电感中的能量通过 LED 放电 其 放电电流的变化规律如式 2 4 所示 式中 I0一一截止时的电流 R 一一电感的导线电阻与 LED 等效电阻之和 对同样的初始电流 R 越大 电阻的功率也越大 从而贮能就较快地被 电阻消耗掉 由于 LED 的内阻基本不变 因此可以通过减小电感的内阻 达到节约电能的效果 L 越大 电感贮能越大 其放电时间越长 LED 发光 时间也越长 随着放电时间的延长 放电电流逐步减少 流过发光二极管的 工作电流也跟着降低 其发光强度也减弱 为使 LED 有一定的发光强度 就应在控制脉冲频率和占空比时 考虑电源电压 电感大小 LED 的开通 电压和开关管的饱和压降及开关管截止频率 fT人的大小 图 2 10 图 2 11 是电感数值不同而开关周期相同时所测的 LED 电压波形 从图 2 10 可以看 出 电压波形是不连续的 说明在导通阶段电感中贮存的电能不足以提供给 LED 在电压波形中出现了振荡 由于光通密度随电流密度的增加而成正比 例增加 这样 LED 的发光亮度就会减弱 这表明脉冲频率和占空比的选取 应考虑电感的大小 电感过大 则在 VT 导通时 建立起电感电流的时间过 长 这样在整个导通期间内 电感中所储存的能量不够大 导致 LED 的亮 度降低电感过小 虽然在导通时 容易使电感中的电流达到最大值 但电感 中的贮能仍然不足以向 LED 提供足够的电能 这样也会出现电压波形振荡 的现象 另外 开关管的截止频率影响开关管的导通时间 从而影响电感电 流的建立过程 所以 应优化配置电路中的各种参数 图 2 11 是电感参数 与控制电路中其余参数配置较为合理时的 LED 电压波形 4 IC 恒流驱动方式 恒流驱动电路通常是使用恒流芯 片 以位移位暂存器形式控制 调节外置电阻来控制最大输出电 流 图为采用三端可调试集成稳 压器 LM317M 的恒流驱动电路 在 U3 12V 之时 利用其 U2 U1 定值的特性 实现对图中几 组串并联组合的 LED 恒流驱动 其中限流电阻 R 18 5 使用中 必须注意 LM317M 的 2 端输出 电流不能超过 0 5A 输出可调节 电压为 1 2V 3 7V 3 2 交流转换为直流驱动 1 简易变压器式稳压驱动电路 这种 LED 驱动电路主要由电源隔离变压器 AC 一 DC 整流器和限流电阻等 组成 变压器起到隔离和变压的作用 如图 2 13 所示 AC 一 DC 整流器整 流稳压二极管稳压 滤波电容 C1滤除整流器输出电压中的交流成分 使电压 更平滑 而限流电阻 R1的作用主要是控制 LED 电流 限流电阻 R1应该比 LED 的正向等效电阻要大 这样才能克服 LED 电流随输入电压和环境温度 等因素而产生的变化 但是从效率角度看 其值却不能取得太大 2 简易电容降压式 LED 驱动电路 这种 LED 驱动电路具有体积小 成本低 使用率高等优点 但若元器 件选择不当 不但达不到降压的效果 还有可能造成电路的损坏 图 2 11 中电容 C1起降压及限流的作用 稳压二极管 VD2的作用是稳压 其稳压值选 择应等于负载电路的工作电压 其稳定电流的选择也很重要限流电阻 R2取 值不能太大 否则会增加电能损耗以及引起元器件温度升高 3 3 LED 驱动电源设计要点 在 LED 驱动器的设计中 有各自重要的设计要求 例如电池供电的 LED 驱动器需有升压功能 以满足 1 3 节充电电池或 1 节锂离子电池供 电的要求 并要求工作到电池放电终止 静态电流必须要小 并且有关闭功 率 在关闭状态时一般耗电小于 1uA 在显示屏背光源照明中 要求 LED 亮度均匀 并可多级调节亮度 汽车照明的 LED 驱动器必须能够适应条件 相当苛刻的汽车电源总线 汽车采用的是 12V 的电池 典型的工作电压范 围是 9V 16V 在冷车发动时电池可能降至 4V 并且存在 36V 的瞬态电 压 但下面几个设计指标是大部分驱动电源都要考虑的 提高转换效率 减少功耗 特别是在电池和电瓶供电场合 这样不但 可以延长一次充电的使用时间 而且可以减少系统发热量 降低工作温度 提高电路的可靠性 电路必须有过压 欠压 过流等保护电路 不能 因为电路故障而造成 LED 的损坏 必须尽量降低成本 减小变换器体积 在 LED 驱动器设计过程中 下面几个问题是设计者需要解决的 它是影响 LED 性能发挥的重要原因 LED 并联驱动均流 LED 采用串联驱动 实现恒流控制较为容易 但是要求的驱动电压也 较高 在驱动多个 LED 时 有时必需采用并联驱动 现在 LED 并联驱动 均流主要有三种解决方案 5 1 每路 LED 都用功率开关独立调节流过的电流 图 1 4 a 这种 方法可以获得较高的电流精度 但增加了控制电路设计的难道和系统功耗 它主要用在电感型 DC DC 驱动电路 boost buck boost 等基于电感的电路 上 特别是大功率 LED 的驱动上 2 调节电源输出电压 在每路 LED 串入限流电阻 依靠 LED 的一 致性和串联电阻使电流匹配 图 1 4 b 电路简单 但电流稳定度不好 3 调节流过一个 LED 的电流 依靠 LED 的一致性和串联电阻使其 余的 LED 电流匹配 图 1 4 c 这种方法原理和 1 相似 浪涌电压的限制 电源的浪涌电压以及接通电路时开机过冲电压的冲击波形对 LED 芯片 损伤严重 在设计时 特别是大功率 LED 驱动器 应该引起足够的重视 大功率 LED 的散热 LED 照明系统的热源基本就是 LED 灯本身 所以建议 LED 灯采用 铝基板散热 功率器件均匀排布 尽可能避免将 LED 驱动电路与散热部分 贴近设计 减少封装至印刷电路基板的热阻抗 提高 LED 芯片的散热畅顺 性以降低系统工作温度 第四章第四章 LED 的应用的应用 4 1 LED 灯与建筑的 一体化 对于优秀的建筑照明设计而言 建筑与照明之间很难有明确的区分 照 明甚至是建筑的一部分 人们希望看到建筑与照明有机的结合 或者说是实 现建筑与照明的 一体化 字典中对 有机的 的解释主要有这样几个内容 1 具有相关性或是相互影响的 2 属于 关于或源于活的有机体的 3 组织或发展上类似活的 交织联结的 4 朴实简单的 健康的和接近自然的 面对多种元素和需要解决的问题 如何将其合理协调的组织在一起相互 渗透 构成积极富有活力的整体就是设计中的有机性 对于照明而言 既要 考虑照明功能的有机性 又要与建筑有机结合 实现建筑与照明的 一体化 也就是要将建筑构件 空间 灯具以及所处的环境协调起来 使之相互渗透 相互促进 利用现代化的科技手段 合理解决各种矛盾 4 1 1 大面积显示屏大面积显示屏 就目前 LED 的造型发展来说 LED 本身的形状多为圓形 其余所呈 现的形状皆为圆形排列构成 再加上外包壳所形成的视觉造型 以整面式排列加上程式控制 如图 4 7 所呈现的手法多运用于公共空 间中 比如全彩色 LED 显示幕是当今世界上最为引人注目的户外大型显示 装置 采用先进的数位化视频处理技术 有无可比拟的超大面积与超高亮度 根据不同的户内外环境 采用各种规格的发光图元 如图 4 8 实现不同 的亮度 色彩 解析度 如图 4 9 4 10 以满足各种用途 它可以动态 显示图文动画资讯 利用多媒体技术 可播放各类多媒体档 世界上目前最 有影响的 LED 显示幕 当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所 总计使 用了 18 677 760 只 LED 面积为 10 736 平方英尺 荧幕可以划分成 多个画面 而同时显示 将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前 另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部 整个朝向浦西的 建筑立面镶上了长 100 的超大型 LED 屏 总计面积达到 3600 平方米 堪 称世界第一 此外 LED 灯多运用于建筑物外观装饰 利用 LED 的刻意排 列 使该建筑物白天与夜间的视觉大不相同 产生另一种视觉效果 4 1 2 LED 与建筑构件的结合与建筑构件的结合 LED 灯本身具有装饰性 还可以装入透明中空的管线中制成线性发光 条或带 嵌装在建筑立面构件外沿需要做夜景装饰的部位装置 以形成和建 筑一体的线性内透光发光条由于体积小 不发光时也不会引人注意 如图 4 11 4 12 4 13 将点光源 LED 灯和小的发光盒等发光体和墙面或屋面组合一体 光点 的分布视建筑表面和构造而定 如大片墙面 一般均匀布置光点 对网架结 构的墙面 光点一般布置在网架节点位置 形成类似满天星的建筑表面 如图 4 14 4 2 LED 照明技术在灯光环境中的应用 由于 LED 光源具有发光效率高 耗电量少 使用寿命长 安全可靠性强 有利于环保等特性 近几年来在城市灯光环境中得到了广泛的应用 目前已 应用于数码幻彩 护栏照明 广场照明 庭院照明 投光照明 水下照明系 列 许多城市利用 LED 光源照明技术应用于城市灯光环境建设中 产生了良 好的效果 积累了丰富的经验 如广州电力大厦 广州鹤洞大桥 广州工商 行大厦 珠海迎宾南路灯光工程 东莞中心城区灯光工程 郑州河南医科大 立交桥 上海延安路灯光工程 湖南常德市丹阳天桥 南通市通讯塔灯光工 程等 随着全国城市化的进一步发展 灯光环境 包括路灯 景观灯 艺术 灯等 建设领域将不断扩大 LED 光源的应用也将不断发展 LED 作为第四 代新光源 在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用 但要在路灯建设 和维护中取代大功率的高压钠灯 高压汞灯 金卤灯等光源 还需进一步的 研究和探讨 认真解决 LED 光源在照明应用中存在的技术问题 还需 LED 光 源生产厂家结合路灯行业的实际情况 生产符合路灯建设和维修所需的新产 品 使第四代新光源在城市照明建设中发挥更大的作用 目前国内已能生产1 3W由 5白光LED组成的白光LED灯泡 外形与白炽灯 泡相同 球形外壳用透明塑胶做成 直径约60mm 灯头用E27螺纹灯头 其 发光效率 超过35lm W 2 3W的白光LED灯泡亮度与25W白炽灯泡差不多 另 外 目前也能够生产出12W白光LED的日光灯管 其光通量超过500lm 发光 效率超过40lm W 这两种白光LED做成的灯寿命都超过50000h 这两种灯都 是用超高亮度 5小功率白光LED做成 目前售价较高 且尚未上市 LED作为城市交通信号灯及标灯 第五章第五章 总结与展望总结与展望 在地球资源日渐衰竭的今日 环保 节能是当今各产业发展的重心 尤 其是需要消耗大量电力的照明产业 在灯种的研发上 更是趋向环保 节能 的特性上著眼 近年来发光二极体 LED 的出现 为人类的照明世界带来 新革命 新科技 且对人类生活将会有重大影响与改变 长期以来 由于 LED 光效低的原因 其应用主要集中在各种显示领域 随着超高亮度 LED 特别是白光 LED 的出现 在照明领域的应用成为可能 据国际权威机构预测 二十一世纪将进入以 LED 为代表的新型照明光源时代 被称为第四代新光 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 美国 日本等国家和台湾省 350 亿美元电费 每年 减少 7 55 亿吨二氧化碳排放量 日本 100 的白炽灯换成 LED 可减少 1 2 座核电厂发电量 每年节省 10 亿公升以上的原油消耗 台湾地区 25 的白炽灯及 100 的日光灯被白光 LED 取代 每年节省 110 亿度电 日本早 在 1998 年就编制 21 世纪计划 针对新世纪照明用 LED 光源进行实用性 研究 近年来 日本日亚化工 丰田合成 SONY 佳友电工等都已有 LED 照 明产品问世 世界著名的照明公司如飞利浦 欧司朗 GE 等也投入大量的 人力物力进行 LED 照明产品的研究开发和生产 美国 GE 公司和 EMCORE 公司 合作成立新公司 专门开发白光 LED 以取代白炽灯 紧凑型荧光灯 卤钨 灯和汽车灯 德国欧司朗公司与西门子公司合作开发 LED 照明系统 台湾目 前的 LED 产量仅次于日本列在美国之前 从 1998 年开始投入 6 亿台币进行 相关开发工作 LED 作为新型照明光源材料的发展近年也取得了突破性发展 传统的 照明光源主要是白炽灯和荧光灯 在可靠性 耗电 使用寿命等方面不尽如 人意 近年 LED 作为光源材料制作的装饰灯 城市景观灯等产品不断推出 LED 光源材料的照明灯具的市场正在形成并呈上升趋势 特别是在城市景观 危险区域 紧急应急等方面的使用潜力更为巨大 白光 LED 是最被看好的 LED 新兴产品 其在照明市场的发展潜力值得期待 与白炽钨丝灯泡及荧光 灯相比 LED 具有体积小 多颗 多种组合 发热量低 没有热辐射 耗电 量小 低电压 低电流起动 寿命长 1 万小时以上 反应速度快 可在高 频操作 环保 耐震 耐冲击不易破 废弃物可回收 没有污染 可平面 封装易开发成轻薄短小产品等优点 没有白炽灯泡高耗电 易碎及日光灯废 弃物含汞污染的问题等缺点 是被业界看好在未来 10 年内 成为替代传统 照明器具的一大潜力商品 去年底台湾的宏杰科技公司研发出低成本高照度的光学技术 可为室内照明 的 LED 灯开出另一契机 宏杰科技所开发出之新技术荣获全国第一届 LED 照 明应用创意设计大赛 最佳创意表现奖 此技术可大大降低 LED 阅读灯的 成本 且无传统台灯炫光 闪烁及电磁波等问题 宏杰科技总经理陈一义表 示 高亮度白光 LED 应用市场规模预测在 2005 年约一千亿台币 而 2006 年 则增至约一千三百亿台币 未来五年阅读灯 橱窗灯 户外灯 投光灯等传 统灯具将逐渐为 LED 灯所取代 目前 LED 灯已成为主要的辅助光源 今后随 著 LED 发光特性及生产制造技术之演进 发光效率不断提升 价格不断下降 使得 LED 应用层面更广 更受使用者喜爱 未来白光 LED 的市场规模与应用 将无限宽广 并将进入一般家庭 取代各种传统的室内照明 灯饰市场分析家认为 从 2005 至 2013 年 许多传统灯如商店的橱窗灯 户外灯 投光灯及阅读灯等 皆将被 LED 灯所取代 再加上 2005 年欧盟将 对进口商品增收污染处理费 2006 年七月以后若有可替代物品 则含有毒 物质之电器及照明产品将全部禁止进入欧洲 这将会加速 LED 产业未来之发 展 虽然目前白光 LED 仍未达到照明要求之技术水准 且成本仍过高 但在 白光 LED 具省电优势和全球能源危机影响下 采白光 LED 将为必然趋势 并 预期今年此种灯将会出现较具规模的市场 参考文献参考文献 1 国家经贸委 UNDP GEF 中国绿色照明工程项目办公室 中国建筑 科学研究院编 绿色照明工程实施手册 2003 年出版 2 金尚忠 张树生 侯民贤 白光照明 LED 灯温度特性的研 究 光源与照明 2004 年 12 月 3 沈培宏 照明级大功率 LED 技术 灯与照明 第 30 卷第 1 期 4 沈培宏 白光 LED 照明技术进展及产业和市场现状 灯与照明 第 30 卷第 2 期 5 阎兰贵 袁凤坡 高亮度发光二极管 HB LED 在建筑领域的应 用 河北建筑工程学院学报 第 23 卷第 2 期 6 赵清泉 半导体发光二极管及其照明的应用 光源与照明 2005 年第 3 期 7 陈琼 刘红 李金国 等 发光二极管 LED 光源模型研究 光 源与照明 2005 年第 3 期 8 吴蒙友等主编 MINKAVE 城市灯光环境规划研究所编 21 世 纪城市灯光环境规划设计 北京 中国建筑工业出版社 2002 15 21 9 雷玉堂 黎慧 未来的照明光源 白光 LED 技术及其发展 武汉 武汉乐通光电新技术研究所 2003 10 肖辉乾 城市夜景照明规划设计与实录 M 北京 中国建筑工 业出版社 2000 80 82 11 孙培懋 光电技术 北京 机械工业出版社 1992 55 61 12 张为诚 沐小