LED节能灯的设计

1 LEDLED 节能灯的设计报告节能灯的设计报告 参赛学院 电气与信息学院 参赛队号 参赛队员 曹锡山 郑金平 汪文雯 2 设计题目 LED 节能灯的设计 设计摘要 本研究根据设计要求 由交流 220V 供电 灯的电功率 3W 5W 均可 恒流供电 要求电源变换部分效率尽可能高 并且交流电源电 压在 90 240V 范围内变化时 输出功率基本不变 亮度稳定 电源电路采用 了合适比例的变压器来降低电压 然后采用单相桥式整流 电容滤波电路 结 合固定式三端集成稳压器来获得比较稳定的直流电压 再利用运放 电压跟随 器进一步稳定电压 保证负载部分获得稳定的功率和恒定电流 再通过取样电 阻来实现输出电压 从而实现负载部分亮度的调节 负载电路采用具有正温度 系数的 WZMD 热敏电阻与负温度特性的 LED 串联 组成一个温度系数极小电阻型 负载 解决了 LED 的恒流问题 使其发光稳定 通过调节滑动变阻器 来实现 红 蓝 绿三基色亮度的改变 从而实现色彩的变化 关键词关键词 LED 节能灯 桥式整流 固定式三端集成稳压器 WZMD 热敏电 阻 恒流发光 亮度色彩可调 3 一 引言 LED 节能灯在目前市场上已经是一件非常成熟的产品 目前白色 LED 发光效率 已经突破 120LM W 是白炽灯 15LM W 的 8 倍 是荧光灯 50LM W 的 2 倍多 LED 的光谱中没有紫外线和红外线成分 所以不会发热 不产生有害辐射 而且 LED 的光通量半衰期大于 5 万小时 可以正常使用 20 年 器件寿命一般都在 10 万小时以上 是荧光灯寿命的 10 倍 是白炽灯的 100 倍 所以基本不会损坏 这种灯具具有非常好的节能长寿命特性 随着白色 LED 价格的不断降低 LED 照明灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用 而且逐步延伸到路面照明 民用照明 等低照度要求的领域 全面进入实用化 并且在环保方面废弃物可以回收 没 有荧光灯的贡污染问题 是国家重点发展的产业项目 LED 技术已经真真切切地来到我们身前 在举世瞩目的奥运会上 无论是开幕 式上神奇的画卷和画布 还是水立方游泳馆外表那变换莫测的七彩幻光 还是 大量演员身上通体发出的神奇光芒 甚至是恰如银河般并缓缓升起的奥运五环 无不都是 LED 技术的全面应用 LED 光源具有使用低压电源 耗能少 适用性 强 稳定性高 响应时间短 对环境无污染 多色发光等的优点 虽然价格较 现有照明器材昂贵 仍被认为是它将不可避免地现有照明器件 LED 的特点和优点 1 LED 的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源 它有着广泛的 用途 2 体积小 3 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面 所以它非常的小 非 常的轻 4 耗电量低 LED 耗电非常低 一般来说 LED 的工作电压是 2 3 6V 工作电流是 0 02 0 03A 这就是说 它消耗的电不超过 0 1W 使用寿命长 5 在恰当的电流和电压下 LED 的使用寿命可达 10 万小时 6 高亮度 低热量 7 环保 LED 是由无毒的材料作成 不像荧光灯含水银会造成污染 同时 LED 也可以回 收 坚固耐用 8 LED 是被完全的封装在环氧树脂里面 它比灯泡和荧光灯管都坚固 灯体内也没有松 动的部分 这些特点使得 LED 可以说是不易损坏的 4 此次 LED 的设计主要是利用典型的交流电容降压恒流电路供电 设计了一个简 单的亮度 色彩可调的 LED 节能灯电路 二 方案设计二 方案设计 此次电路的设计主要包括以下三个部分 即电源变换电路 稳压电路和 LED 负载电路 分别如电路图 2 所示 总的流程图如图 1 所示 根据要求 LED 灯要工作在直流电压下 故电源变换部分主要的任务是将 220v 的交流电压变为适合 LED 灯工作的直流电压 电压的变换又包括变压 整 流 滤波和稳压四个部分 下面分别对这四个部分设计方案的选择做出说明 变压部分首先采用合适比例的变压器对 220v 的交流电压进行变压 使变压 后的电压符合负载的工作电压 整流部分采用的方案通常有半波整流和桥式整流等 桥式整流电路的优点 是输出电压高 纹波电压小 管子所承受的最大方向电压较低 同时因电源变 压器在正 负半周期内都有电流供给负载 电源变压器得到了充分的利用 因 此效率也更高 所以桥式整流电路比半波整流电路更有优越性 在此次设计中 采用后一种方案来提高电源的效率 滤波部分滤波部分的设计方案有多种 由于本电路为小功率电路 因此设计中采用 C 型电容滤波电路 其特点是电路简单 负载直流电压较高 纹波也较小 整 流部分采用稳压管先与电容并联再与电阻串联的方式 这样可以有效降低纹波 以获取稳定的直流电压 稳压电路稳压电路部分采用三端集成稳压器 这种电路可以较好的稳定输出电压和 电流 结合后面的电压跟随器和取样电阻还可以实现其电流大小的可调节 故 可保证输出功率的稳定 从而保证了 LED 灯的亮度稳定和可调光功能 负载电路负载电路采用具有正温度系数的热敏电阻与负温度特性的 LED 串联 组成 5 一个温度系数极小电阻型负载 解决了 LED 的恒流问题 LED 灯的接法有串联 方式和并联方式 若只采用串联方式 当有一只灯开路时会造成所有的灯都无 法工作 若只采用并联的方式 当有一只灯短路时会造成电路的短路 故这两 种接法各有其缺点 在此次设计方案中采用先将 LED 灯每 5 只串联在一起再并 联最后再串联起来的方式 这样可以避免上述两种接法的缺陷 具体的设计主 电路图见图 2 所示 三 详细设计 1 电源变换电路 6 本实验采用交流220v的电压 实际情况是电源实际电压是在90v 240v之间 这部分 我们先用一个变压器 使电压下降 根据实际计算数值 见后文 我 们的变压线圈之比选10 1 使电压降到十分之一 为了最终能够实现电源对 LED的恒定电流供电 需要先把220V 50Hz的交流电通过变压器的作用降为低压 正弦信号 由于LED灯要工作在单向电压下 故需要对交流电源进行整流 采用 单向桥式整流电路对交流电进行整流 可以得到单方向的全波脉动电流 由于 此时的电压中存在一定的纹波 故需要用滤波电路来滤除纹波电压 滤波电路 的形式有很多种 因为本电路是小功率电路 所以采用电容滤波电路 这样得 到的负载直流电压较高 纹波也较小 通过桥式整流电路D1 D2 D3 D4 在负载 部分加入一个电容C1 构成电容滤波电路 使输出一个比较稳定的直流电压 V1 V1 1 1 1 2 V2 电容滤波电路的优点有许多 如其负载直流电压较高 纹波较小 滤波后的电压仍有一定的波动 要想获得比较理想的直流电压 除 了上述的整流滤波环节 还必须经过稳压环节 其全部过程见图 3 所示 1 基本计算如下 v1 v2 10 1 所以 v2 9V 24V VI 1 2v2 V1 9 9V 28 8V 2 三端固定稳压器78LM XX 输入电压输出电压纹波抑制比 8 40 5 24 53 62 60 内部设有过热 短路 或过 流 调整管安全工作区等 保护电路 管脚编号由封装 形式不同而不同 7 3 V1的范围在三端稳压器的输入范围 所以满足条件 2 2 稳压电路 稳压电路 1 电路构成及原理 稳压部分采用固定式三端集成稳压器 如图 b 为输出电压可调的稳压电路 它由稳压器 7824 和电压跟随器 A 组成 该电路用 A 将稳压器与取样电阻隔离 途中电压跟随器 A 的输出电压等于其输入电压 Vo1 V24 也就是电阻 R1 与 Rp 上 部分的电压的之和为 7824 的输出电压 V24 当调节 Rp 的动端位置时 输出电压 随之变化 其调节范围为 Vomin R1 R2 Rp V24 R1 Rp Vomax R1 R3 Rp V24 R1 设 R1 370 Rp 55 R3 300 V24 24 V 时 则输出电压的调节范围 为 49V 56 5V 可根据输出电压的调节范围和输出电流的大小选择三端稳压器 运放和取样电阻 V24 24V R1 370 Rp 55 R3 300 Vomin 370 55 300 24 370 55 40 94 v Vomax 370 55 300 24 370 47 03v 所以我们可以通过调整滑动变阻器 Rp 的大小 可以得到电压 48 56 5v 范 围的稳定电压 这部分正是我们负载所需要的电压范围 8 3 LED 负载电路 负载电路分为白灯和彩灯两部分 且白灯和彩灯采用并联方式 4 白灯部分 共用 20 个白灯 分为两条支路 每条支路分别为 10 只白灯 和一个热敏电阻串联 5 彩灯部分 用红 蓝 绿三种彩灯 这三种彩灯之间以串联形式连接 每种彩灯的连接方式相同 每种彩灯电路并联一滑动变阻器和一限电阻 每种彩灯用 16 个 这 16 个灯分成四组 四组以并联方式连接 每组 5 个 以串联方式连接 且每条串联电路再串联一 WZMD 热敏电阻 这种连接方式可以基本上保证负载工作的稳定性 当负载中支路中有一只 LED 灯开路时 电流会从与之并联的其余四只灯中通过 故只有这一只灯不发 光 同时流过其余四只灯的电流只会有少量的增加 不会造成因为电流过大而 危害灯的正常工作的危险 保证了负载电路的正常工作 当负载中有一只 LED 灯短路时 与之并联的四只灯不发光 对整个负载的电路的影响不大 其余的 LED 灯工作状态基本不变 故负载仍是稳定工作的 LED 灯负载电路在设计时还考虑了输出电压的可调性 使 LED 灯在输出电 压的变化范围内能正常的工作 这样就实现了 LED 灯的调光功能 同时彩灯电 路部分因为每种彩灯都并有一电阻和滑动变阻器串联的支路 调节滑动变阻器 根据是三基色原理 通过控制红 绿 蓝光 LED 的发光强度 达成全彩的变色 效果 可变色温 并可由 LED 波长及强度的选择得到较佳的演色性 与滑动 变阻器串联的电阻主要是用来控制 LED 灯两端电压 防止滑动过程中出现过流 和短路 具有正温度系数的热敏电阻与负温度特性的 LED 串联 组成一个温度系数 极小电阻型负载 一旦工作电压确定后 串联回路中的电流 将 不会随温度变 化而变化 通俗地说 当 LED 随温度升高电流增加时 热敏电阻也随温度升高 电阻变大 阻止了回路电流上升 当 LED 随温度下降 电流减小 时 热敏电阻 也随温度下降电阻变小 阻止了回路电流的减少 如匹配得当 当环境温度在 40 85 范围内变化时 LED 的最佳工作电流不会明显变化 见下图电流曲 线 串入热敏电阻的电流曲线 与没有串入热敏电阻的电流曲线 对照 图 从图一可以看到 采用热敏电阻温度补偿方法与集成电路等元件组成 的恒 流源相比 有着异曲同工之处 但最大的差异是用一种元件就解决了 LED 的恒 流问题 其价格 体积 寿命等优势也不言而喻 9 四 参数计算 1 电源变换电路部分 各元件的参数如下 见图 6 变压器变压比 v1 v2 10 1 电容 C1 2000 F 电源变换电路部分各元件参数如下图所示 10 参数计算 当电源电压v1为220V时 V2 220 10 22 V 当电源电压在90 240V之间变化时 v2min 9 V v2max 24 V 设经过滤波后VI 1 2V2 则 VImin 9 1 2 10 8 V 8 V VImax 24 1 2 28 8 V 40 V 78LM24固定式三端集成稳压器工作在允许的范围内 变压比是合适的 2 直流稳压电路部分 各元件的参数如下 见图 5 电阻 R1 370 Rp 55 R2 300 电容 C2 1000 F 稳压电路部分各参数如下图所示 参数计算 当 Rp在最上端时 Vomin 370 55 300 24 370 55 40 94 V Rp 在最下端时 Vomax 370 55 300 24 370 47 03V 11 3 LED 负载部分 各元件参数如下 见图六 1 电阻 热敏电阻 R 150 热敏电阻正常工作电压为 3 V R3 275 R4 325 R4p 325 R5 R6 425 R5p R6p 425 2 LED 元件的参数如下 白灯 绿灯 蓝灯正常正向工作电压 VF 3 0 3 5 V 红灯正常正向工作电压 VF 2 0 2 5 V 正常工作电流 IF 20 mA 参数计算 LED 负载电路一共使用的 68 只 LED 灯 采用并联再串联进行工作 正常工作总电压为 Vomin 2 0 5 3 3 0 4 3 2 41 V Vomax 2 5 5 3 3 5 4 3 2 47 V 白灯部分电压 V白 Vo 41V 47V 彩灯部分电压 V红 11V 13V V蓝 V绿 15V 17V 正好在输出稳压的可调范围之内 这样既保证了负载的正常工作 又实现了 LED 灯的可调光功能 同时还可以调节彩灯部分的滑动变阻器根据三基色原理 调节灯的色彩 设 LED 灯在正常工作时的工作电流变化不大 为 20 mA 容易计算出电流为 I1min 40 80 20 120mA I1max 40 80 40 140mA 同样可以计算出灯的稳定工作电功率 Pmin 48 0 02 3 0 20 0 02 2 0 3 68 W Pmax 48 0 02 3 5 20 0 02 2 5 4 36 W 输出功率在 3W 5W 之间 且恒流输出 符合要求 12 LED 负载部分各参数如图六所示 五 设计总结 1 设计小结 led因其具有极低的功耗 而具有较高的亮度 高效节能 其超常的寿命 具有极高的性价比 无辐射 绿色环保 保护视力 安全系数高 市场潜力大 而有的国家已经明确了将现有的照明设备更换成led的时间 所以 led 被誉为 二十一世纪最环保的光源 本实验 我们led负载部分有三个大的部分 每个部分均有一个调节的滑动变 阻器 滑动变阻器可以调节各部分led的亮度 颜色 由于引进了热敏电阻 使路端 电压不会因为led灯的发热而使电阻发生多大的改变 这也是本设计的一个独到 之处 根据实际计算 我们得知 实际的负载部分我们需要的电压范围实在41v 47v 根据这个电压我们设计了由三端稳压电路控制的稳定电压输出 我们使用 的是稳定的24V电压输出 通过电压跟随器以及R1 R2 Rp 我们能通过调节滑动 变阻器Rp的值 从而达到控制输出电压的值 滑动触头打到最上面 得到的输 出电压最大 触头打到最下面 得到的电压最小 从而在整体上控制三大块led 灯的亮度 这个触头是一个关键所在 为了能够正常使用三端稳压控制器 必 然需要我们控制其输入电压的大小 所以我们使用了电感线圈降压 并使用整 流电路整流 从而完成设计要求 2 设计评价 通过以上的分析可知本设计完成了以下要求 由交流 220V 50Hz 的电源供电 并且当交流电压在 90 240V 范围内变化时 13 保证恒流输出 在一定范围内 LED 灯输出功率基本不变 且灯的亮度稳定 灯的电功率在 3 68 4 36W 之间 且 LED 各支路输出电流基本不变 实现了 恒流供电 亮度稳定 灯的亮度在一定范围内可调 当有一只 LED 灯损坏时对整个节能灯产生的影 响很小 具有保护功能 彩灯部分 根据三基色原理 通过调节三种彩灯的亮度