LED节能灯的设计

1、LED 节能灯的设计报告参赛学院：电气与信息学院参赛队号：汪文雯参赛队员：曹锡山 郑金平设计题目：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

2、用具有正温度系数的WZM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：LED节能灯、桥式整流、固定式三端集成稳压器、WZM热敏电阻， 恒流发光、亮度色彩可调、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/V，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

3、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，

4、 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

5、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。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。220VSAV2电容BE图i电路流程总框图LED负载揑制根据要求LED灯要工作在直流电压下，故电源变换部分

6、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。滤波部分的设计方案有多种，

7、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

8、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。i_OiI.ED图2-LED节能灯主电路图13VoTL/Js丄眾_R 53-455015Rt-425Q图/LED灾）l 械管负载电路三、详细设计1、电源变换电路本实验采用交流220v的电压，实际情况是电源实际电压是在90v240v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

9、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丁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=（1.11.2）V2。电容滤波电路的优

10、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220V 50Hz变压器vz V1 三式V28 VVImax = 24 * 1.2 = 28.8 V40 V电阻：R仁370QRp=55 QR2=300 Q电容：C2=1000 卩 F78LM2轴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）：稳压电路部分各参数如下图所示:图5-三端稳压及电压控制电路参数计算：当印在最上端时，Vomin=(370+55+300)*24/(370

11、+55)=40.94 VRp 在最下端时，Vomax=(370+55+300)*24/370=47.03V3、LED负载部分各元件参数如下：(见图六)(1)电阻热敏电阻R=150 Q热敏电阻正常工作电压为 3 V.R3=275 Q;R4=325 QR4p=325 Q R5=R6=425QR5p=R6p=425Q(2) LED元件的参数如下：白灯，绿灯，蓝灯正常正向工作电压VF： 3.03.5 V红灯正常正向工作电压 VF： 2.02.5 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：V omin = 2.0*

12、5+3+ (3.0*4+3 )*2 = 41 VV omax = 2.5*5+3+ (3.5*4+3 )*2 =47 V白灯部分电压 V白=Vo=41 47V;彩灯部分电压：V 红=11V13V;V 蓝=V 绿=1517V;LED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 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I 1min=40+80+20=120mA;I 1max=40+80+40=140mA; 同样可以计算出灯的稳定工作电功率 Pmin=48*0.02

13、*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3W5W之间，且恒流输出，符合要求。LED负载部分各参数如图六所示vn1113=_*图六LED发比极管负载电路五、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

14、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

15、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90240V范围内变化时, 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3.684.36W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，可实现一定的色彩 变化。本作品有待改进创新的地方：此次设计有待改进的地方主要在

16、负载的部分，由于彩灯亮度的调节不好控制， 本实验采用的是用滑动变阻器和固定电阻。这样一方面调节不方便，还有就是电阻会消耗一部分功率，这样就使整个电路的效率降低。3、心得体会经过这次通力合作，完成LED电路的设计，加深了我们对课本知识的认识，也 意识到理论连系实际的重要性.任何一项科技的投入使用都离不开理论的支持. 本次实验设计主要应用到模拟电子电路应用的基本知识 ，通过这次设计过程，我 们感受到了实验设计的乐趣.增加了我们对本专业的兴趣.设计过程调动了我们 的思维,集思广益，经过讨论确定最终方案.同时意识到了团队合作的重要性，对 我们的学习工作有很大的影响。六、附件发光二极管的型号参数表颜 色红蓝绿白型 号HL-A-3528U36FCHL-A-3528H247BCHL-A-3528U70GCHL-A-3528H1238V色 温/波长618-625nm464-474nm514-5190_31,0_32亮 度M:210-276mcdM