毕业设计-LED照明设计及应用

石家庄邮电职业技术学院 毕业课题设计 LEDLED 照明应用方案设计照明应用方案设计 系 别 邮政通信管理系 专 业 机电设备维护与管理 班 级 通 0810 1 学生姓名 吴雅林 许晓路 指导教师 吴淑梅 2010 年 12 月 12 日 目录目录 摘要摘要 3 关键词 关键词 LED 照明技术 驱动电源 3 1 1 LEDLED 及其照明应用简介及其照明应用简介 4 1 1 什么是 LED 以及 LED 的特点 4 1 1 1LED 的结构及发光原理 4 1 2 LED 灯的分类 5 1 3 应用范围 6 2 2 LEDLED 驱动电路驱动电路 7 2 1 LED 驱动器通用要求 8 2 2 两种系统效率低下的 LED 驱动电路 8 2 2 1 传统的低效率电路 8 2 3 常见的 LED 排列方式 9 2 4 功率因数校正 10 2 5 驱动器标准 11 2 6LED 驱动电源技术 11 3 3 LEDLED 照明灯的制作照明灯的制作 13 3 1 材料的准备 13 3 2 电路图分析 13 3 3 材料组装 14 3 4 调试 检查 15 4 4 LEDLED 照明存在的问题照明存在的问题 15 结束语结束语 17 参考文献参考文献 18 摘要摘要 在全球能源短缺 环保要求不断提高的背景下 世界各国均大力发展绿色节能照 明 LED 照明作为一种革命性的节能照明技术 正在飞速发展 然而 LED 驱动 电源的要求也在不断提高 高效率 高功率因数 安全隔离 符合 EMI 标准 高 电流控制精度 高可靠性 体积小 成本低等正成为 LED 驱动电源的关键评价 指标 现在的照明应用 LED 具有普通照明所需的亮度 效率 使用寿命 色温 以及白点稳定性 因此 绝大多数普通照明应用设计中都采用这类 LED 包括路 面 停车区以及室内方向照明 在这些应用中 由于无需维护 因为 LED 的使用 寿命比传统灯泡的要长得多 且能耗降低 所以基于 LED 的照明降低了总体拥有 成本 TCO 本论文的重点是研究 LED 灯的电路和 LED 灯的制作过程及优缺点 分析 关键词 关键词 LED 照明技术 驱动电源 1 1 LEDLED 及其照明应用简介及其照明应用简介 1 1 什么是 LED 以及 LED 的特点 LED Light Emitting Diode 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可 以直接把电转化为光 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支 架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由三部分组成 一部分是 P 型半导体 在它里面空穴占主导地位 另 一端是 N 型半导体 在这边主要是电子 中间通常是 1 至 5 个周期的量子阱 当 电流通过导线作用于这个晶片的时候 电子和空穴就会被推向量子阱 在量子阱 内电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而光的波长也就是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的其实简单的就是电子 跳到空穴的时候 由于电子的能量多于空穴的容积 所以多的那部分能量就一光 的形势发出来 1 1 1LED 的结构及发光原理 LED 发光原理图 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识第一个商用二 极管产生于 1960 年 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 在某些半导体材料的 PN 结中 注入的少数载流子与多数载流子复 合时会把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 PN 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 阳极流向阴极时 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 1 2 LED 灯的分类 1 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分 可分成红色 橙色 绿色 又细分黄绿 标准绿和纯绿 蓝光等 另外 有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂 有色还是无色 上述各种颜色的发光 二极管还可分成有色透明 无色透明 有色散射和无色散射四种类型 散射型发 光二极管和达于做指示灯用 2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧向管 表面安装用微 型管等 圆形灯按直径分为 2mm 4 4mm 5mm 8mm 10mm 及 20mm 等 国外通常把 3mm 的发光二极管记作 T 1 把 5mm 的记作 T 1 3 4 把 4 4mm 的记作 T 1 1 4 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况 从发光强度角分布图来分有三类 1 高指向性 一般为尖头环氧封装 或是带金属反射腔封装 且不加散射剂 半值角为 5 20 或更小 具有很高的指向性 可作局部照明光源用 或与光检 出器联用以组成自动检测系统 2 标准型 通常作指示灯用 其半值角为 20 45 3 散射型 这是视角较大的指示灯 半值角为 45 90 或更大 散射剂的 量较大 3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底座环氧封装 及玻璃封装等结构 4 按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED 发光强度 100mcd 把发光强 度在 10 100mcd 间的叫高亮度发光二极管 一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA 而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下 亮度与普通发光管相同 除上述分类方法外 还有按芯片材料分类及按功能分类的方法 1 3 应用范围 鉴于 LED 的自身优势 目前主要应用于以下几大方面 1 显示屏 交通讯号显示光源的应用 LED 灯具有抗震耐冲击 光响应速度快 省电和寿命长等特点 广泛应用于各种室内 户外显示屏 分为全色 三色和单 色显示屏 全国共有 100 多个单位在开发生产 交通信号灯主要用超高亮度红 绿 黄色 LED 因为采用 LED 信号灯既节能 可靠性又高 所以在全国范围内 交通信号灯正在逐步更新换代 而且推广速度快 市场需求量很大 是个很好的 市场机会 2 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板 音响指示灯 开关的 背光源 阅读灯和外部的刹车灯 尾灯 侧灯以及头灯等 汽车用白炽灯不耐震 动撞击 易损坏 寿命短 需要经常更换 1987 年 我国开始在汽车上安装高位 刹车灯 由于 LED 响应速度快 可以及早提醒司机刹车 减少汽车追尾事故 在 发达国家 使用 LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件 美国 HP 公司在 1996 年推出的 LED 汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯 此外 在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源 都可用超高亮度发光灯来担当 所以 均在逐步采用 LED 显示 我国汽车工业正处于大发展时期 是推广超高亮度 LED 的极好时机 近几年内会形成年产 10 亿元的产值 5 年内会形成每年 30 亿元 的产值 3 LED 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目 LED 作为 LCD 背光源应 用 具有寿命长 发光效率高 无干扰和性价比高等特点 已广泛应用于电子手 表 手机 BP 机 电子计算器和刷卡机上 随着便携电子产品日趋小型化 LED 背光源更具优势 因此背光源制作技术将向更薄型 低功耗和均匀一致方面发展 LED 是手机关键器件 一部普通手机或小灵通约需使用 10 只 LED 器件 而一部 彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约 20 只 LED 器件 现阶段手机背光源用 量非常大 一年要用 35 亿只 LED 芯片 目前我国手机生产量很大 而且大部分 LED 背光源还是进口的 对于国产 LED 产品来说 这是个极好的市场机会 4 LED 照明光源早期的产品发光效率低 光强一般只能达到几个到几十个 mcd 适用在室内场合 在家电 仪器仪表 通讯设备 微机及玩具等方面应用 目前 直接目标是 LED 光源替代白炽灯和荧光灯 这种替代趋势已从局部应用领域开始 发展 日本为节约能源 正在计划替代白炽灯的发光二极管项目 称为 照亮日 本 头五年的预算为 50 亿日元 如果 LED 替代半数的白炽灯和荧光灯 每年 可节约相当于 60 亿升原油的能源 相当于五个 1 35 106kW 核电站的发电量 并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生 改善人们生活居住的环境 我国也于 2004 年投资 50 亿大力发展节能环保的半导体照明计划 4 5 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋 走路时内置的 LED 会闪烁发光 仅温州地区一年要用 5 亿只发光二极管 利用发光二极管作为电动牙刷的电量指 示灯 据国内正在投产的制造商介绍 该公司已有少量保健牙刷上市 预计批量 生产时每年需要 3 亿只发光灯 正在流行的 LED 圣诞灯 由于造型新颖 色彩丰 富 不易碎破以及低压使用的安全性 近期在香港等东南亚地区销势强劲 受到 人们普遍的欢迎 正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场 2 2 LEDLED 驱动电路驱动电路 LED 的排列方式及 LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求 LED 驱动器的主要 功能就是在一定的工作条件范围下限制流过 LED 的电流 而无论输入及输出电压 如何变化 最常用的是采用变压器来进行电气隔离 文中论述了 LED 照明设计需 要考虑的因素 2 1 LED 驱动器通用要求 驱动 LED 面临着不少挑战 如正向电压会随着温度 电流的变化而变化 而不同 个体 不同批次 不同供应商的 LED 正向电压也会有差异 另外 LED 的 色点 也会随着电流及温度的变化而漂移 另外 应用中通常会使用多颗 LED 这就涉及到多颗 LED 的排列方式问题 各种 排列方式中 首选驱动串联的单串 LED 因为这种方式不论正向电压如何变化 输出电压 Vout 如何 漂移 均提供极佳的电流匹配性能 当然 用户也可以采用并联 串联 并联组合及交叉连接 如图 1 等其它排列方 式 用于需要 相互匹配的 LED 正向电压的应用 并获得其它优势 如在交叉 连接中 如果其中某个 LED 因故障开路 电路中仅有 1 个 LED 的驱动电流会加 倍 从而尽量减少对整个电路的影响 2 2 两种系统效率低下的 LED 驱动电路 2 2 1 传统的低效率电路 图 1 图 1 是传统的低效率电路 电网电源通过降压变压器降压 桥式整流滤波后 通过电阻限流来使 3 个 LED 稳定工作 这种电路的致命缺点是 电阻 R 的存在 是必须的 R 上的有功损耗直接影响了系统的效率 当 R 分压较小时 R 的压降 占总输出电压的 40 输出电路在 R 上的有功损耗已经占 40 再加上变压器 损耗 系统效率小于 50 当电源电压在 10 的范围内变动时 流过 LED 的 电流变化将 25 LED 上的功率变化将达到 30 当 R 分压较大时 在电源 电压在 10 的范围内变动时 虽说能使输出到 LED 的功率变化减少 但系统效 率将更低 图 2 1 2 采用集成稳压元件的 LED 驱动电路 图 2 是在图 1 的基础上加了一个集成稳压元件 MC7809 使输出端的电压基本 稳定在 9V 限流电阻 R 可用得很小也不会因为电源电压的不稳定造成 LED 的超 载 但是此电路除了保证 LED 的基本恒定输出外 效率还是很低的 因为 MC7809 和 R1 上的压降仍占很大比例 其效率仅为 40 左右 上述这类电路的应用 系统总的每瓦输出流明仅为 20lm W 25lm W 是 根本不能称为节能的照明产品的 为了达到既能使 LED 稳定工作 又能保持高的 效率 应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高 2 3 常见的 LED 排列方式 LED 的排列方式及 LED 光源的规范决定着基本的驱动器要求 LED 驱动器的 主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过 LED 的电流 而无论输入及输出 电压如何变化 LED 驱动器基本的工作电路示意图如图 2 所示 其中所谓的 隔 离 表示交流线路电压与 LED 即输入与输出 之间没有物理上的电气连接 最 常用的是采用变压器来电气隔离 而 非隔离 则没有采用高频变压器来电气隔 离 值得一提的是 在 LED 照明设计中 AC DC 电源转换与恒流驱动这两部分电 路可以采用不同配置 1 整体式 integral 配置 即两者融合在一起 均位于照明灯具内 这 种配置的优势包括优化能效及简化安装等 2 分布式 distributed 配置 即两者单独存在 这种配置简化安全考虑 并增加灵活性 LED 驱动器根据不同的应用要求 可以采用恒定电压 CV 输出工作 即输 出为一定电流范围下钳位的电压 也可以采用恒定电流 CC 输出工作 输出的 设计能严格限定电流 也可能会采用恒流恒压 CCCV 输出工作 即提供恒定输 出功率 故作为负载的 LED 的正向电压确定其电流 总的来看 LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素 输出功率 涉及 LED 正向电压范围 电流及 LED 排列方式等 电源 AC DC 电源 DC DC 电源 直接采用 AC 电源驱动 功能要求 调光要求 调光方式 模拟 数字或多级 照明控制 其他要求 能效 功率因数 尺寸 成本 故障处理 保护特性 要遵从 的标准及可靠性等 更多考虑因素 机械连接 安装 维修 替换 寿命周期 物流等 2 4 功率因数校正 美国能源部 DOE 能源之星 ENERGYSTAR 固态照明 SSL 规范中规定 任何功率等级皆须强制提供功率因数校正 PFC 这标准适用于一系列特定产品 如嵌灯 橱柜灯及台灯 其中 住宅应用的 LED 驱动器功率因数须大于 0 7 而 商业应用中则须大于 0 9 但是 这标准属于自愿性标准 欧盟的 IEC61000 3 2 谐波含量标准中则规定了功率大于 25 W 的照明应用的总谐波失真性能 其最大 限制相当于总谐波失真 THD 35 而功率因数 PF 0 94 虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数 但某些应用可 能有这方面的要求 如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施 中的商业应用 此外 公用事业机构购入 维护街灯时 也可以根据他们的意愿 来决定是否要求拥有高功率因数 通常 0 95 PFC 技术包括无源 PFC 及有源 PFC 两种 无源 PFC 方案的体积较大 需要 增加额外的元件来更好地改变电流波形 能够达到约 0 8 或更高的功率因数 其 中 在小于 5 W 至 40 W 的较低功率应用中 几乎是标准选择的反激式拓扑结构 只需要采用无源元件及稍作电路改动 即可实现高于 0 7 的功率因数 有源 PFC 通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波 形 有源 PFC 通常提供升压 交流 100 至 277 Vac 的宽输入范围下 PFC 输出电 压范围达直流 450 至 480 Vdc 如果恰当地设计 PFC 段 可以提供 91 到 95 的 高能效 但增加了有源 PFC 仍然需要专门的 DC DC 转换来提供电流稳流 2 5 驱动器标准 LED 驱动器本身也在不断演进 着重于进一步提高能效 增加功能及功率密 度 美国 能源之星 的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制 涉及包 括功率因数在内的特定产品要求 而欧盟的 IEC 61347 2 13 5 2006 标准针 对采用直流或交流供电的 LED 模块的要求包括 最大安全特低电压 SELV 工作输出电压25 Vrms 35 3 Vdc 不同故障条件下 恰当 安全的工作 故障时不冒烟或易燃 此外 ANSI C82 xxx LED 驱动器规范仍在制定之中 而在安全性方面 需 要遵从 UL CSA 等标准 如 UL1310 Class 2 UL 60950 UL1012 此外 LED 照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题 LED 驱动电路除了要满足安全要求外 还应具备另外两个基本功能 一是尽可能 保持恒流特性 尤其在电源电压发生 15 的变动时 仍应能保持输出电流在 10 的范围内变动 二是应保持较低的自身功耗 这样才能使 LED 的系统效率 保持在较高水平 2 6LED 驱动电源技术 原始电源有各种形式 但是无论哪种电源 一般都不能直接给 LED 供电 因此 要用 LED 作为照明光源就要解决电源交换的问题 有低电压驱动 过渡电压驱 动 高电压驱动 市电压驱动 1 低电压驱动 低电压驱动是指用低于 LED 正向导通压降的电压驱动 LED 如一节普通的干电 池或者镍铬 镍氢电池 其正常供电压为 0 8 至 1 65V 低电压驱动 LED 就是要 把电压提升到足以使 LED 导通的电压值 对于 LED 这样低功率照明器件 这是 一种常见的使用情况 如 LED 手电筒 LED 应急灯等 由于受单节电池容量的限 制 一般不需要很大功率 但要求有最低的成本和比较高的交换效率 2 过渡电压驱动 过渡电压驱动是指给 LED 供电的电源电压值在 LED 管压降附近变动 这个电压 值有时候略高于 LED 管压降 有时略低于 LED 管压降 如一节或两节锂电池串 联的铅酸电池 满时电压在 4V 以上 电压快用完时在 3V 一下 用这类电源供 电的典型应用有矿井灯等 过渡电压驱动 LED 电源变化电路既要解决升压问题 又要解决降压问题 为了配合一节锂电池工作 也需要尽可能小的体积和尽可 能低的成本 一般情况下功率不大 其最高性价比的电路是反极性电荷汞式变 换器 3 高电压驱动 高电压驱动是指给 LED 供电的电压值始终高于 LED 的管压降 如 5V 12V 24V 的电源 典型的应用有太阳能草坪灯 太阳能庭院灯 机动车的灯光系统等 高电压驱动 LED 要解决降压问题 由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电 会用到比较大的功率 最佳电路结构是串联开关降压电路 4 市电驱动 市电驱动就是指用 220V 50HZ 的的交流市电经过电源变换装置给 LED 供电 这是一种对 LED 照明最有价值的供电方式 是半导体照明普及必须解决的问题 用市电驱动要解决降压和整流的问题 还要有比较高的变换效率 有较小的体 积和成本 另外 考虑到对电网的影响 还要解决好电磁干扰和功率因数等问 题 对于中小型功率的 LED 现在普遍使用的电路机构是反激变换器 对于大功 率的应用 则是使用桥式变换电路 无论何种电源驱动技术 归根到底对于 LED 照明而言只有恒压和横流的区别 采用恒压设计会危害 LED 的未来 LED 是需要横流方式驱动工作的 但是目前由 于横流方式限制达不到实际要求 而较多的使用恒压方式设计 恒压方式只是 暂时的过渡 很快就会被横流取代 3 3 LEDLED 照明灯的制作照明灯的制作 3 1 材料的准备 材料有 白光的二极管 导线 电阻 电容 灯口 灯塑料外壳 圆形电路板 方形电路板 工具 电烙铁 偏口钳 二极管等 电容 电解电容 3 2 电路图分析 图 1 串联 50 个灯 图 1 是一款 LED 灯杯的实用电路图 该灯使用 220V 电源供电 220V 交流电经 C1 降压电容降压后经全桥整流再通过 C2 滤波后经限流电阻 R3 给串联的 38 颗 LED 提供恒流电源 LED 的额定电流为 20mA 但是我们在制作节能灯的时候要考虑很多 方面的因素对 LED 的影响 包括光衰和发热的问题 我们在做这种灯的时候因为 LED 的安装密度比较高 热量不容易散出 LED 的温度对光衰和寿命影响很大 如果 散热不好很容易产生光衰 因为 LED 的特性是温度升高电流就会增大 所以一般在 做大功率照明时散热的问题是最重要的 将影响到 LED 的稳定性 小功率一般都采 取自散热方式 所以在电路设计时电流不宜过大 图中 R1 是保护电阻 R2 是电容 C1 的卸放电阻 R3 是限流电阻防止电压升高和温度升高 LED 的电流增大 C2 是滤 波电容 实际在 LED 电路中可以不用滤波电路 C2 是用来防止开灯时的冲击电流对 LED 的损害 开灯的瞬间因为 C1 的存在会有一个很大的充电电流 该电流流过 LED 将会对 LED 产生损伤 有了 C2 的介入 开灯的充电电流完全被 C2 吸收起到了开灯 防冲击保护 该电路是小功率灯杯最实用的电路 占用体积小可以方便的装在空间 较小的灯杯里 现在被灯杯产品广泛的采用 优点 恒流源 电源功耗小 体积小 经 济实用 但是在设计时降压电容要采用耐压在 400V 以上的涤纶电容或 CBB 电容 滤波电容要用耐压 250v 以上 此电路适合驱动 20 40 只 20mA 的 LED 3 3 材料组装 组装 先组装方形电路板 按照电路板上的位置把电阻 电容插上 用电烙铁焊 接 注意不要有虚焊 然后用偏口钳剪掉多余的引脚 如下图 3 3 1 上面 2 根 线接往灯口 下面 2 根线接往圆形电路板 红正 黑负 圆形电路板上有阴影 的小半圆是二极管的正极 图 3 3 1 图 3 3 2 图 3 3 3 图 3 3 4 3 4 调试 检查 1 检查二极管的正负有没有反接 2 检查二极管 电容 电阻有没有虚焊 所有的二极管都是串联在电路中的 3 组装 插电调试 4 4 LEDLED 照明存在的问题照明存在的问题 1 LED 色差问题 单个 LED 的应用 基本上不存在色差问题 但如果将众多的 LED 一起投入使用或 者说一个灯同时具有多个 LED 则色差问题便突出来了 先说一组灯具 如果一眼看 出灯光的颜色不一致 我想愉快的心情便要打一个折扣 虽然象 LUXEON 一样将 LED 按色温分成八大军区 然后在每个军区中右分几个小区 在一定的程度上将大范围 的色差进行了控制 但同一色区同一批 LED 中仍然存在差异 而这差异仍逃不了肉 眼的挑衅 2 LED 绝缘问题 这里所说的绝缘指散热基板对 LED 的正负极而言 不敢说我们是最先发现 LED 的绝缘问题 但至少大牌厂商对我们的质疑感到惊呀 到目前为至仍未解决根本问 题 只是采取弥补措施 如用铝基板来处理绝缘 最初的铝基板并未做绝缘 现在几 乎都做到了 可能大家觉得不可理解 单个 LED 不绝缘 影响不大 多颗串联时就有 问题 3 LED 抗脉冲问题 这个问题与厂商尚有争议 在我的实际应用中确实存在 主要反应在冷脉冲上 即上电瞬间 少数