LED灯照明设计与测试方法毕业论文.doc 22页

'LED灯照明设计与测试方法LED灯照明设计与测试方法毕业论文目录第一章引言…………………………………………………………………………………6第二章LED灯模块和电路系统的设计…………………………………………………...8第一节LED灯模块的设计……………………………………………………...82.1.1外形设计…………………………………………………………………..72.1.2LED灯珠的选用…………………………………………………………..82.1.3设计时要注意的地方……………………………………………………13第二节电路系统…………………………………………………………………142.2.1组成电源模块的元器件………………………………………………...142.2.2电源板的线路…………………………………………………………..18第三章安装与测试…………..……………………………………………………………203.1材料选择………………………………………………………………..….…203.2安装…………………………………………………………………………...213.3测试……………………………………………………………………...……22总结…………………………………………………………………………………………..25参考文献……………………………………………………………………………………..26第一章引言白炽灯自发明以来已有150年历史，而白光LED灯泡生产才几年。目前在市场上已有白光LED的手电筒、在矿上有白光LED的矿灯，不仅亮度好，而且节电。家用白光LED灯泡目前还没有上市，而目前只能生产小功率的灯泡，在亮度方面还不如节能荧光灯，且价位还较高，普通家庭还难以接受。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法随着半导体材料及工艺技术的进步，生产量的增加，我认为可能还需3~5年时间，LED照明灯的性能会进一步地提高，价格也会不断地下降，它将逐步地进入千家万户，给您带来节电、明亮的新的光源。而且相比于其他灯具，LED灯的优点主要体现在以下几个方面：1.高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.07W）电光功率转换接近100%，想用照明效果比传统光源节能80%以上。2.绿色环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，也没有辐射，眩光小，无污染，无汞，冷光源，可以安全触摸，而且废弃物可回收，属于典型的绿色照明光源，无紫外线，红外线是真正的绿色环保光源。3.无辐射：杜绝辐射污染，保护大脑，具有优越的静电防滑功能，光照效果柔和没横流驱动，零频闪，保护视力，预防近视；无紫外线辐射，直流灯无频闪，真正白光似自然昼光，适合视觉要求，保护眼睛皮肤。4.使用寿命长：固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰灯缺点，使用寿命可达60000到100000小时，是普通灯泡的50倍；相当于不间断照明10年时间，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、整流器、启辉器的问题。5.静音设计:整的无任何噪音干扰。适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家灯室内照明。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法第二章LED模块设计和电路系统第一节LED灯模块设计2.1.1外形设计灯具能不能吸引消费者，灯具的外形至关重要。对于消费者来说第一印象是最重要的，一个产品它的外观特别、新奇，这样会让消费者的好感倍增。外形的设计你首先考虑的是它的用途和用的地方。它是用来做路灯呢？还是用来做室内照明。这可很重要的，以为两者所用的材料差距很大的，路灯注重的是大功率亮度要高，还要防水、防晒、防尘、抗老化能力强。而室内照明注重的是外形、功能和色彩。设计灯具外形还要考虑所用的材料，如何能在节约成本的情况下设计出性价比较高的灯具。图2-1LED灯外形设计例如：你设计大功率的探照灯第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法图2-2大功率探照灯作为探照灯它工作的环境是户外的，所以防水、防尘等自然因素的影响是首要解决的问题。接着是因为是探照灯所以功率一定要够大，亮度要够高才能在漆黑的夜晚起到相应的作用，所以灯珠会选用大功率的灯珠，大功率的灯珠发热量是非常大的，所以还要考虑它的散热问题。最后就考虑成本了，控制成本对厂家来说是最主要的问题，成本能控制得当，赚的钱就越多。2.1.2LED灯珠的选用发光二极管简介：发光二极管（LED）是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始，人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象，但生产出有一定发光率的红光LED已是1969年了。到今天，LED已生产了30多年，回顾过去，它已茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作第二次开发的产品及与LED配套的产品（如白光LED驱动器）发展迅速，新产品不断上市，已发展成不少新型产业。LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大商品。展望将来还期望更进一步地提高早期LED主要用于做指示灯。它的发光强度不高，一般小于1mcd，高的也仅几个mcd；另外，发光效率也不高，一般小于0.21m/w，其功率仅几十mw到上百个mw（属于小功率LED）。本文就从发光强度提高说起。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法发光二极管的结构：LEDLamp(led灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料组成。图2-1一、支架：（1）、支架的作用：用来导电和支撑（2）、支架的组成：支架有支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层组成。（3）、支架的种类：带杯支架做聚光灯型，平头支架座大角度散光型的Lamp。A、2002杯/平头：此支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin长比其他支架要短10mm左右。Pin间距为2.28mm。B、2003杯/平头：一般用来做Φ5以上的Lamp，外露Pin长为+29mm、-27mm。Pin间距为2.54mm。C、2004杯/平头：用来做Φ3左右的Lamp，Pin长及间距同2003支架。D、2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。F、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。E、2009：用来做双手的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支Pin脚控制极性。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支Pin脚。一、银胶银胶的作用：固定晶片和导电的作用。银胶的主要成份：银粉占75%-80%、EPOXY（环氧树脂）占10%-15%、添加剂占5%-10%.银胶的使用：冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后。银粉会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。二、晶片（Chip）图2-2发光二极管和LED芯片的结构组成（1）、晶片的作用：晶片是LEDLamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。（2）、晶片的组成：晶片是采用磷化镓（Gap）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。（3）、晶片的结构：焊单线正极性（P/N结构）晶片，双线晶片。晶片的尺寸单位：mil晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。（4）、晶片的发光颜色：第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、红色（615-635nm）、黄色（580-595nm）、蓝色（450-480nm）、紫色（380-430nm）。白光和分红光是一种光的混合效果，最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。（5）、晶片的主要技术参数：A、晶片的伏安图性图B、顺向电流（IF）：晶片在试驾一定电压后，所产生的正向导通电流。IF的大小，与顺向电压的大小有关。晶片的工作电流在10-20mA左右。C、顺向电压（VF）：施加在晶片两端，是晶片正向导通的电压。此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。VF过大，会使晶片被击穿。D、逆向电压（VR）：施加在晶片上的反向电压。E、逆向电流（IR）：是指晶片在施加反向电压后，所产生的一个漏电流。此电流越小越好。因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。F、亮度（IV）：指光源的明亮程度。单位换算：1cd=1000mcdG、波长：反映晶片的发光颜色。不同波长的晶片其发光颜色也就不同。单位：nm。H、光：是电磁波的一种。波长在0.1mm-10nm之间的电磁波称为光。光可分为：波长大于0.1mm称为电波；760nm-0.1nm叫红外光；380nm-760nm叫可见光；10nm-380nm叫紫外光；波长小于10nm的是X光。一、金线：金线的作用：连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。二、环氧树脂：环氧树脂的作用：保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。封装树脂包括：A胶(主剂)、B胶（硬化剂）、DP（扩散剂）、CP（着色剂）、四部分组成。其主要成份为环氧树脂（EpoxyResin）、算无水物（Anhydride）、高光扩散性填料（Lightdiffusion）及热安定性染料（dye）。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法一、模条模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。模条需放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良。LED灯珠分很多种类贴片的有RGB三色灯（这灯珠可以通过调节随意变出不同的颜色）、有纯色的（红、绿、蓝、黄、白、3000K、2200K等）。普通的有灯珠按直径区分有5*5、5*9、5*4.4灯按发光角度又可分为15度、30度、45度、60度、90度、120度等。图2-3各种LED灯珠第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法在不同的产品就要用不同的灯珠，灯珠的选用是很重要的，不同的灯珠有不同的亮度、不同的角度、不同的发光率。做成产品后它能不能达到预期的效果所以选择灯珠可不是一件轻易的事情，要慎重考虑，还有灯珠由不同的厂家生产又有不同的效果，不同的厂家它做灯珠的工艺和发光的芯片是不一样的。因为灯珠能不能达到寿命长，产品能不能在保修期3年内不坏，与灯珠的发挥有很大的影响。2.1.3LED灯设计时注意的地方LED灯在设计时，应该考虑灯是用在什么地方的，那里环境如何？是户外呢？还是室内？这样才能设计出相应的灯具应付不同的环境。例如设计户外灯具（1）LED户外照明灯具忧郁工作环境比较复杂受温度、紫外线、湿度、下雨天雨水、沙尘、化学气体等自然条件的影响，时间一长，就会导致LED光衰严重的问题。所以在设计LED灯具的时候终上考虑这些外部环境因素对LED户外照明灯具的影响。（2）户外LED灯具在散热材料选择方面应该注意的事项有：外壳和散热器设计为一体，用来解决LED的发热问题，这种方式较好，一般选用铝或铝合金，铜材或铜合金，以及导热性良好的其它合金。散热有空气对流散热，强风冷却散热和热管散热。选择什么样的散热方式，对灯具设计的成本有直接影响，应综合考虑，与设计产品配套选出最佳方案。灯罩的设计徐昂才也是至关重要，目前使用的透明有机玻璃，PC材料等。传统的灯罩是透明的玻璃制品，究竟选什么样的灯罩跟设计的产品档次定位有关，一般来说户外的灯具一般都用玻璃制品的，因为它的寿命和抗腐蚀能力是最强的，而塑料灯罩只能安装在室内，因为塑料灯罩会在恶劣的环境中受到很大的影响，例如沙尘，光照和雨水等因素使灯罩老化严重。而且这灯罩难以清洁，使灯罩透明度减少影响光线输出。（3）户外LED芯片的封装技术：目前国内生产的LED灯具（主要是路灯）大都是采用1W的LED多个串，并联惊醒组装，这种方法热阻较先进封装技术的产品高，不容易造出高品质的灯具。或者是采用30W、50W甚至更大的模组进行组装，以达到所需的功率，这些LED的封装材料有用环氧树脂封装，有用硅胶封装的。二者的区别是：环氧树脂封装耐温较差，时间久了易老化。硅胶封装则耐温较好，使用时应注意选择。（4）第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法散热器是LED灯具很关键的一个部分，它的形状、体积、散热表面积都要设计得恰到好处，散热器太小，LED灯工作温度太高，影响发光率和寿命，散热器太大，则消耗材料多增加产品成本和重量，使产品竞争力下降。设计合适的LED灯散热器至关重要。第二节电路系统电源可是LED灯的核心，因为它是控制LED灯具在额定电压内能不能稳定地工作达到寿命长的效果。2.2.1组成电路系统块的元器件：（1）安规电容在电路中起到降压、限流作用，容量越大的安规电容所流出的压就越大，即容量与输出电压成正比。它按容量大小分为0.18uf、0.22uf、0.28uf等。安规电容一般与两个1M电阻配合使用，电阻与电容是并联的，它的作用是帮电容放电。图2-4安规电容（2）整流桥堆整流桥堆就是由两个或四个二极管组成的整流器件。桥堆有半桥和全桥两种，半桥又有正半桥和负半桥两种，堆桥的文字符号为UR。全桥由四只二极管组成，有四个引出脚。两只二极管负极的连接点是全桥直流输出端的“正极”，两只二极管正极的连接点是全桥直流输出端的“负极”。　　半桥由两只二极管组成，有三个引出脚。正半桥两边的管脚是两个二极管的正极，即交流输入端；中间管脚是两个二极管的负极，即直流输出端的“正极”第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法。负半桥两边的管脚上两个二极管的负极，即交流输入端；中间管脚是两个二极管的正极，即直流输出端的“负极”。一个正半桥和一个负半桥就可以组成一个全桥。通常我们用的整流桥堆都是全桥的，因为它体积小那电源板就可以做的更小了，这样就可以节省很多空间了。图2-5整流桥堆原理图图2-6整流桥堆（3）滤波电容安装在整流电路两端用以降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出的一种储能器件，我们把这种器件称其为滤波电容。滤波电容具有电极性，我们称其为电解电容。电解电容的一端为正极，另一端为负极，正极端连接在整流输出电路的正端，负极连接在电路的负端。在所有需要将交流电转换为直流电的电路中，设置滤波电容会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。滤波电容在电路中的符号一般用“第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法C"表示，电容量越大，滤波性能越好。为了获得更好的直流稳定系数，电容量一般选择在数百微法或数千微法以上。如果做LED灯电源板里面的滤波电容一般用容量为10uf工作电压为250V的电解电容。图2-7电解电容图2-8贴片电容（4）稳压管稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。我们常用的稳压管是7805。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法图2-97805稳压管图2-10贴片稳压管（5）电感器件电感：当线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。电感器的主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振。我们制造电源板通常选用电感跟电容一起，形成滤波能力较强的LC滤波。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法图2-11各种各样的电感2.2.2电源板的线路作为LED灯具的心脏----电源，它的设计每一步都要很小心的，例如它的稳定性够不够啊、它的输入电压能恒定吗？等等。如果是设计在120V或者220V的高压灯具，那么你就要装上能让电压可以控制在一定范围的安规电容了，有了它好像一夫当关万夫莫开似的。如果只是做低压的产品12V或者15V的LED灯具，只要你装上稳压管、桥堆、和滤波电路的元件就可以了。电源板的线路，例如做120V的产品那么，你要把电压降到自己适用的范围，如果用变压器的话它的体积太大不方便安装在LED灯具中，如果用安规电容就可以解决这问题，因为它体积小容易安装在LED灯具里面。安规电容是和交流电源其中一条线串联的，而且它还要并联两个1M的电阻来帮它放电。接着就轮到整流桥堆，整流桥堆是接在安规电容的后面，安规电容的一条线接在桥堆（图2-12）的AC端的一其中一点，AC电源的另一条线接在整流桥堆的另一个点。整流桥堆的“+”出来的线并一个电解电容和100K的电阻这个电容是用来滤波的，然后在所并的电解电容后面就可以连上灯珠板了，这一极是“+”的。然后桥堆的“-”就直接连到灯珠板的“-”。如果做DC12V-15V的产品，要求产品可以在DC12V到15V之间稳定的工作，就是所在DC12v到15v之间的电流变化不大，如果要做到这种板，那么你要考稳压管了。做这产品，因为不是高压所以不用安规电容来降压。通常这种产品的体积都不算很大的，所以做板要做小板，那么就要用到贴片元器件了。DC第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法电源的一端直接接在整流桥堆（图2-12）的一端，DC电源的另一端就接在整流桥堆的另一端，在整流桥堆的“+”与“-”直接并一个贴片电容，然后在桥堆“+”的延长线上接上为稳压IC，稳压IC是分输入与输出端的，中间那个是接地的（图2-13）输出端直接输出到灯珠板的“+”上。整流桥堆的“-”就串一个电感（图2-14）然后就可以接上灯珠的“-”了。图2-12图2-13图2-14第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法第三章安装与测试3.1.材料选择一、塑料外壳图5-2二、其他材料图5-3三、LED安装底座第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法图5-43.2.安装一、焊接完后的PCB图图5-5第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法二、成品图片图5-6本方案设计的为20LED节能灯，材料包括E27灯头，PBT阻燃外壳，20LED安装线路板，电源线路板，降压电容，滤波电容，桥堆，电阻，导线，不含LED。设计功率1.5W左右，亮度超过10W普通灯泡，节能环保，特别合适做路灯，台灯，夜明灯，也可用于家庭照明。3.3.测试所有安装完的灯都要经过低压的检测，例如你做的是AC120V的产品那么你把可调交流电源（图3-1）调到能把灯刚好点亮的电压，如果是DC12V的就用直流电源把电压调到8V左右就可以了，然哈偶检测一下灯珠是否完全亮了，有没有个别是特别亮的或者特别暗的，还有没有不亮的或者个别亮个别不亮的。还要看电源板的焊点和灯珠板的焊点有没有虚焊的，这都是测试前要检测的如果上面的检测都没问题的那就到下一步测试LED灯的电流了，测LED灯的电流要测两种电流，一种是输入电流，也就是说测试输入电源板的电流有多大，方法是用万用表调到电流测试档位，把万用表串在输入LED灯具的线上，然后在LED灯的额定电压上点亮灯，记录好电流的大小。另一种是输出电流，那是从电源板里面流进灯珠板的电流，如果测这个电流要把从电源板输入灯珠板的其中一条线断开，然后串上已经调到测试电流档位的万用表，然后在LED灯的额定电压上点亮灯，然后记录好电流的大小。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法然后就到测光通量了测试光通量要用到的仪器是LED光电性能分析仪（LEDPHOTOMERICANDELECTRICTESTER）如图3-2，这个分析仪主要测试LED灯具的光通量，光通量（luminousflux）指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等，简单的说就是LED灯具的亮度，光通量只是一名称，它有单位的叫流明（LM），测试的时候要让灯在额定电压上正常点亮，而且把LED灯具装在仪器配套的圆球里面，保证圆球完全封闭了，才启动开关，记录数据。最后就去老化了，老化就是把灯接到额定的电压上正常点亮一段时间，一般都要24小时以上，而且在老化的过程中要隔一段时间就去测一下灯具外壳的温度，并记录好，如果发现有些灯具的发热量过大就停止老化，把有问题的灯拿去检修，然后重新老化。图3-1可调交流电源第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法图3-2光电性能分析仪第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法总结我所说的设计方法是我自己在生产制造过程总摸索到的。可能不是怎么的特别，但也挺实用的，我觉得现在LED灯具的设计的重点应该在外形、散热和电源方面，外形是吸引消费者消费的主要因素，而散热和电源是LED灯具能不能长期的工作，能不能达到厂家对消费者所保证的实用寿命，这关系到厂家的信誉和质量的问题。虽然现在LED灯具的价格和实用性都比较低，但是随着科学技术的发展实用性高，价格便宜的LED灯具总会呈现在世界人的眼前。第22页共22页 LED灯照明设计与测试方法参考文献[1]《电子元件与材料》[2]《深入浅出电源技术一环球电源讲义》[3]邱关源.原著罗先觉.修订《电路》第五版高等教育出版社[4]《LED驱动电路设计与应用》人民邮电出版社第22页共22页'