LED节能灯设计毕业论文.doc 30页

'LED节能灯设计毕业论文目录第一章LED的发展概况...............................................11.1.发光二极管介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.1.1.发光二极管的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1.2.发光原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71.2.发光强度及发光效率的提高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81.3.LED的功率提高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91.4.白光LED的诞生是个突破．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9第二章LED在照明系统中的应用......................................102.1.白光LED照明灯泡．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.2.彩色LCD的背光照明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.3.闪光灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.4.家用LED照明灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．112.5.算一笔节电帐及经济帐．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.6.本课题的设计背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12第三章硬件设计...................................................．133.1.驱动原理及应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133.2.电容降压原理介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．143.3.应用电容降压电路驱动LED节能灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153.3.1.举例分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153.3.2.电路工作原理﹕．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.4.硬件设计框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．183.5.原理图设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．193.6.PCB设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．203.7.电容降压电源原理和计算公式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20第四章装配过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.材料选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.1.降压用CBB电容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.2.散光源LED灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 4.1.3.塑料外壳．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．224.1.4.其他材料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.1.5.LED安装底座．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.1.6.焊接完后的PCB图:．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．244.1.7.成品图片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25第五章结语.......................................................．26致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 第一章LED的发展概况1.1.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效率的红光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潜力商品。展望将来,还期望更进一步地提高。早期的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。1.1.1.发光二极管的结构LEDLamp(led灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。２７ 一、支架：　　1）、支架的作用：用来导电和支撑2）、支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。3）、支架的种类：带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型的Lamp。A、2002杯/平头：此种支架一般做对角度、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2.28mmB、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。２７ D、2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。E、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。F、2009：用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支pin脚控制极性。G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。二、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。三、晶片（Chip）：　　发光二极管和led芯片的结构组成２７ 　　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：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）、琥珀色（600-610nm）、黄色（580-595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（450-480nm）、紫色(380-430nm)。白光和粉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、晶片的伏安特性图：B、顺向电压（VF）：施加在晶片两端，使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。C、顺向电流（IF）：晶片在施加一定电压后，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。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=1000mcd    G、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：nmH、光：是电磁波的一种。波长在0.1mm-10nm之电磁波称为光。　　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线光。２７ 四、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。五、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）四部份组成。其主要成分为环氧树脂（EpoxyResin）、酸酐类（酸无水物Anhydride）、高光扩散性填料（Lightdiffusion）及热安定性染料（dye）六、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。模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良1.1.1.发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。２７ 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、变色发光二极管等等。附发光二极管在电路中的符号及LED发光原理图。1.1.发光强度及发光效率的提高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组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,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)。随着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,并且不断创造新记录。２７ 笔者用现有的LED资料,以中5标准封装、发红光、视角差不多的LED为例,以不同的生产年份的发光强度来说明LED发光强度提高的情况,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中列出的并非发光强度最高的。例如,在GaAs的衬低上采用AIlnGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED,在小视角4°、50mA工作电流时,其典型发光强度为20000mcd。LED另一个重要性能指标是发光效率η,用1m/W来表达。这30多年来,LED的发光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED发光效率提高较慢,1990-2005年则提高较快。例如,Cree公司生产的lW白光LEDXL7090WHT,其发光效率可达601m/W。XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封装的白光LED。XL7090WHT的发光强度大,电流350mA时的典型光通量为601m,在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达981m,而目前一般1W白光LED的光通量为30～45lm),XL7090WHT的发光效率高达601m/W,视角宽达100°,封装尺寸仅为9mmx7mmx4.3mm,工作温度范围是-20~+80℃。由于XL7090WHT发光强度大、发光效率高,因此它适用于家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光,广告灯、路灯及标志灯,汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AIInGaP(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AilnGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。1.1.LED的功率提高我们知道LED的发光强度与正向电流IF,几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VFxIF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率LED,其功率一般为1～10W(有一些还大于10W)。它的工作电流一般为350～700mA,有些可达1A以上。２７ 以AmericanOptoPlusLED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例,在700mA电流下,其结温了Tj为25℃,(大功率LED的发光强度用光通量表示)。除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW),现在已能生产大于10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。虽然说小功率LED与大功率LED的发光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。另外,采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。例如,用1W白光LED做成灯具,其尺寸为50.8mmx50.8mmx7.1mm,而采用Φ5白光LED来做,其体积则要大得多。但目前大功率LED投产时间不长,价位较高,所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。1.1.白光LED的诞生是个突破白光LED是LED家族中最后一个问世的,它的诞生是LED生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光,1995年前后生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用于娱乐场所,增加节日气氛。另外,采用RGB三种管芯组成的RGBLED常用于手机的变色背光。采用R、G、B三色LED可以组成彩色LED显示屏的像素,用它组成彩色LED显示屏。在上世纪末,可能受荧光灯的启发,开发出在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为4500～10000K)及暖白光(色温为2850～3800K)的白光LED。目前,白光LED的发光效率大都已超过301m/W,某些产品已超过501m/W的水平。它给用于照明的LED灯泡创造良好的条件。２７ 在2005年开发出无荧光粉的、Φ5、透明树脂封装的白光LED。该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用InGaN工艺技术制成。在IF为20mA时,发光强度为700～1200mcd。第二章LED在照明系统中的应用2.1白光LED照明灯泡近年来,LED的发光强度及发光效率迅速提高、发光颜色齐全、功率增加、成本降低,给开发各种功能的LED灯泡及灯具创造了极好的条件,也给二次开发LED产品创造良好的机会。例如,现在的城市交通信号灯及标志灯采用LED替代了传统的白炽灯,不仅节省大量的电能,而且无须经常更换损坏的白炽灯:五彩缤纷的各种LED装饰灯,给城市夜景打扮得五光十色,广场上的超大屏幕的彩色LED显示屏让全世界的球迷过足了瘾。白光LED灯的应用,包括彩色LCD的背光照明灯、闪光灯及家用LED照明灯,它们最大的特点是节电和寿命长。2.2彩色LCD的背光照明由于白光LED作背光时电路比用CCFL简单且尺寸小,所以在手机、PDA等小屏幕彩色LCD中都采用白光LED作背光照明。过去认为白光LED只适用于小面积的彩色LCD显示屏,但近年来,随着LED性能的提高,它不仅用于小尺寸LED屏幕,现已用于5英寸、7英寸DVD、GPS的显示屏上,并发展到12英寸笔记本电脑及电视机的背光照明。2.3闪光灯数码相机正逐渐替代用胶卷的相机,在数码相机中采用超高亮度的白光LED替代了传统的氙灯。采用超高亮度的白光LED作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省,而且无须充电时间。例如,前面提到的1W白光LED２７ XL7090WHT,它在用作闪光灯时,700mA的脉冲电流时其典型光通量为981m。2.4家用LED照明灯目前，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、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%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%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。目前我国家用照明灯主要是白炽灯、荧光灯(日光灯)及节能荧光灯。白光LED灯泡与荧光灯、节能荧光灯、白炽灯泡在发光效率及平均寿命上的比较,白光LED灯泡的发光效率高于白炽灯泡,但低于荧光灯及节能荧光灯。白光LED的平均寿命最长的,比节能荧光灯高8倍,比白炽灯高33倍多。目前国内已能生产1～3W由Φ5白光LED组成的白光LED灯泡(外形与白炽灯泡相同,球形外壳用透明塑料做成,直径约60mm,灯头用E27螺纹灯头),其发光效率η２７ 超过351m/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5001m,发光效率超过401m/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Φ5小功率白光LED做成,目前售价较高,且尚未上市。2.5算一笔节电帐及经济帐白光LED做成的照明灯节能、长寿命。笔者将发光亮度相差不多的三种灯在使用中作了节电上及经济上的比较。这三种灯分别是3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W的白炽灯泡。这三种灯都采用220V市电供电。在计算中,3W的白光LED灯泡按5W计算(其中有2W是AD/DC及驱动电路的损耗),5W的节能荧光灯按7W计算(2W是自镇流及电路的损耗)。这里要说明的是3W白光LED灯泡及5W节能荧光灯的生产工厂并没有给出这种损耗值,2W是笔者估算的。从节电的方面来比较,同样使用了50000h,白炽灯要用1250度电,而3W的白光LED灯只要250度电,相差1000度电。如果全国有1亿只3W白光LED灯替代了25W白炽灯泡,则在50000h的使用时间中可节省1000亿度电。另外,从经济方面来比较,用1个3W白光LED灯点了50000h,总的花费是209元,若用25W白炽灯泡需花费688.4元,相差479.4元。2.6的设计背景本课题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,而且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亮,且价位还较高,普通家庭还难以接受。随着半导体材料及工艺技术的进步,生产量的增加,笔者认为可能还需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节能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0.03-0.07瓦）电光功率转换接近100%，相同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，２７ 无汞有害气体不含汞元素，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，具有优越的静电防护功能,光照效果柔和，恒流驱动，零频闪，保护视力，预防近视；无紫外线辐射,直流灯无频闪,真正白光近似自然昼光，适合视觉要求,保护眼睛皮肤4.使用寿命，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、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，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、镇流器、起辉器的问题。5.静音设计，整灯无任何噪音干扰。适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家等室内照明。因此,探讨LED在节能灯中的应用，必将是今后一个阶段照明系统的一个重要的发展方向。第三章硬件设计3.1.驱动原理及应用一应用要求1、驱动电路是一种专为LED供电的特种电源，要具有简单的电路结构、较小的占用体积，以及较高的转换效率。　　2、驱动电路的输出电参数(电流、电压)要与被驱动的LED的技术参数相匹配，满足LED的要求，并具有较高精度的恒流控制、合适的限压功能。多路输出时，每一路的输出都要能够单独控制。　　3、具有线性度较好的调光功能，以满足不同应用场合对LED发光亮度调节的要求。　　4、在异常状态(LED开路、短路、驱动电路故障)时，电路能够对电路本身、LED和使用者都有相应的保护作用。　　5、驱动电路工作时，对其他电路的正常工作干扰少，满足相关的电磁兼容性要求。二、线性驱动应用２７ 　　线性驱动应用是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。在照明级白光LED应用中，虽然存在着效率低、调节性差等问题，但是由于其电路简单、体积小巧，能满足一般要求，因此在一些特定的场合应用较多。　　1、稳压电源Vdd+镇流电阻R方式电路的优点是结构简单、成本低。于与LED串联的电阻上的附加损耗较大，并且线性稳压电源Vdd自身的功耗也较大，因此两者叠加在一起所得到总体的效率很低(<50％)，并且LED电流的控制精度低、亮度不可调节，所以一般只应用于较小功率、短时间照明的场合，如LED手电筒、应急照明灯。　　2、稳流电源Vdd+镇流电阻R+电子开关S方式：其优点不仅提高了LED电流的控制精度，而且LED的亮度也可以通过改变电子开关S的通断比来调节。然而，由于串联电阻和线性稳流电源的附加损耗均较高，因此所得到的总体效率仍然很低，具体的应用范围受到较大的限制。三、开关型驱动应用　　利用开关型驱动可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率，开关型驱动。　　应用方式主要分为降压式和升压式两大类。　　1、降压式开关驱动方式：降压式开关驱动是针对电源电压高于LED的端电压或者是多个LED采用并联驱动情况下的应用。　　电路的主要原理是利用按照要求通断的电子开关S所得到的斩波电流，来得到满足LED工作时要求的电流lf值，通过电流的负反馈作用(由R0进行电流取样)使得流经LED的电流If稳定在一定的范围内，同时可以兼有一定的调光功能。图中的电感L的作用是起到S开通时储能和S关断后的续流作用，以减少流过LED电流If的波动。　　2、升压式开关驱动升压式开关驱动是针对电源电压低于LED的端电压或者是多个LED采用串联驱动情况下的应用。２７ 　　电路的工作原理是利用按照要求通断的电子开关S的通断作用。在S开通时电源Vdd给电感L储能，S关断后L上的电压极性反转与电源电压Vf相叠加来得到满足LED工作时要求的电流值If和电压值Vr，通过电流负反馈作用(由R0进行电流取样)，使得流过LED的电流If稳定在一定的范围内，同时可以兼有一定范围的调光功能。四、调光应用方式　　照明级白光LED不适合采用线性手过改变段来调节其发光的亮度，应该采用电流If的幅值不变(LED的工作电流)，只改变If，单位时间内电流脉j中宽度的方式来调光，因为这样不会改变其发光的光谱而造成白光的偏色。常用的调光应用主要采用以下几种方式：　　1、脉宽调制方式：脉宽调制是一种常见的调节LED亮度的方式。通过改变加在LED上的矩形脉冲电流的宽度大，使LED上得到的平均电流在较大的范围内改变，可以获得较大范围的调光效果。　　2、频率调制方式：频率调制是另一种调节LED亮度的方式。保持加在LED上的矩形脉冲电流(幅值不变)的宽度不变，通过改变单位时间加在LED上的矩形脉；中电流的个数多少，使LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，使得LED亮度具有较大范围的调节。　　3、位角调制方式：位角调制是采用一串含有二进制序列脉冲，并且序列脉冲的每一位宽度都按照其位值的比例来延展。通过改变单位时间加在LED上的矩形脉；中电流占有位值所延展的宽度，使LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，以调节LED的亮度。总之，照明级白光LED是一种可用于替代普通照明的大功率固体发光器件，虽然受制于目前的价格，在一定程度上制约了应用的速度，但是由于其具有的优良性能所使然，随着研发技术的不断进步，可以预言照明级白光LED一定具有良好的应用前景。3.2.电容降压原理介绍２７ 电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。采用电容降压时应注意以下几点：1根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。2限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。3电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。4电容降压不适合动态负载条件。5同样，电容降压不适合容性和感性负载。电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件，熟知它们的特性并灵活地应用它们是非常重要的。3.3.应用电容降压电路驱动LED节能灯采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路﹐由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点﹐常应用于LED的驱动电路中。3.3.1.举例分析图一 为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路﹕请注意﹐大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管﹐建议连接上﹐因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间( 如雷电﹑大用电设备起动等 )有效地将突变电流泄放﹐从而保护二级关和其它晶体管﹐它们的响应时间一般在微毫秒级 。２７ 3.3.2.电路工作原理﹕电容C1的作用为降压和限流﹕大家都知道﹐电容的特性是通交流﹑隔直流﹐当电容连接于交流电路中时﹐其容抗计算公式为﹕                      XC = 1/2πf C式中﹐XC 表示电容的容抗﹑f 表示输入交流电源的频率﹑C 表示降压电容的容量。流过电容降压电路的电流计算公式为﹕                      I = U/XC式中  I   表示流过电容的电流﹑U 表示电源电压﹑XC  表示电容的容抗在220V﹑50Hz的交流电路中﹐当负载电压远远小于220V时﹐电流与电容的关系式为﹕                    I = 69C   其中电容的单位为uF﹐电流的单位为mA２７ 电阻R1为泄放电阻﹐其作用为﹕当正弦波在最大峰值时刻被切断时﹐电容C1上的残存电荷无法释放﹐会长久存在﹐在维修时如果人体接触到C1的金属部分﹐有强烈的触电可能﹐而电阻R1的存在﹐能将残存的电荷泄放掉﹐从而保证人﹑机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关﹐一般电容的容量越大﹐残存的电荷就越多﹐泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表﹕D1 ~ D4的作用是整流﹐其作用是将交流电整流为脉动直流电压。C2﹑C3的作用为滤波﹐其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压压敏电阻( 或瞬变电压抑制晶体管 )的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉﹐从而保护LED不被瞬间高压击穿。LED串联的数量视其正向导通电压( Vf )而定﹐在220V AC电路中﹐最多可以达到80个左右。组件选择﹕电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值﹐在220V,50Hz的交流电路中时﹐可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。D1 ~D4 可以选择IN4007。滤波电容C2﹑C3的耐压根据负载电压而定﹐一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路﹐现举例如下﹕２７ 图   二在图 二 电路中﹐可控硅SCR及R3组成保护电路﹐当流过LED的电流大于设定值时﹐SCR导通一定的角度﹐从而对电路电流进行分流﹐使LED工作于恒流状态﹐从而避免LED因瞬间高压而损坏。图   三在图三电路中﹐C1﹑R1﹑压敏电阻﹑L1﹑R2组成电源初级滤波电路﹐能将输入瞬间高压滤除﹐C2﹑R2组成降压电路﹐C3﹑C4﹑L2﹑及压敏电阻组成整流后的滤波电路。此电路采用双重滤波电路﹐能有效地保护LED不被瞬间高压击穿损坏。 ２７ 图四 是一个最简单的电容降压应用电路﹐电路中利用两只反并联的LED对降压后的交流电压进行整流﹐可以广泛应用于夜光灯﹑按钮指示灯﹐要求不高的位置指示灯等场合。3.4.硬件设计框图220V市电输入降压电路整流电路稳压输出２７ 3.5.原理图设计２７ 3.6.PCB设计3.7.电容降压电源原理和计算公式这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际标准单位）    I(AV)=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C        =0.44*220*2*3.14*50*C=30000C２７         =30000*0.000001=0.03A=30mA如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：    I(AV)=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C        =0.89*220*2*3.14*50*C=60000C        =60000*0.000001=0.06A=60mA一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。    使用这种电路时，需要注意以下事项：    1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！    2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。    3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。第四章装配过程4.1材料选择4.1.1.降压用CBB电容常用CBB电容：常用CBB金属化电容，规格有104/400V、334/400V、105/400V等。２７ 4.1.2.散光源LED灯白色，分光分色，多个串联不会出现色差实际亮度15000~18000mcd尺寸：5mm透明发光角度：20度电压：3.2-3.4v电流：20毫安4.1.3.塑料外壳２７ 4.1.4.其他材料4.1.5.LED安装底座２７ 4.1.6.焊接完后的PCB图:4.1.7.成品图片本方案设计的为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，滤波电解电容，硅桥，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。２７ 第五章结语在此次LED节能灯的设计中，充分的体现出大学的知识是综合性的，是一个培养学生独立思考能力灵活运用个方面知识的具有挑战性的课题。刚开始的时候会感觉老师给的这个课题有点难，但人生不就是一个不断克服困难的过程么？在此次课程设计的过程中，我发现了自己的很多不足之处，比如说Protel学的不是很精只会一些皮毛而已，以及对书本上的知识掌握的不是很好。但是，我今后一定会把自己的不足之处给改正过来的。刚开始会遇到很多挫折，并不是说按照原理图焊接出来，就直接可以正常使用，在这几日里，我经历了阶段性成功的狂喜，测试失败后的沮丧，陷入困境的急噪，重新投入的振作，这样的心路历程是非常宝贵的体会，正是有了大家的鼎立合作终于成功了。同学们在设计的过程中互相帮助让我深刻的体会出团结就是力量的含义。让我印象最深刻的就是，降压电容配置不好,很容易烧毁,并且我还被触电了多次.我现在才明白，单有理论还不够的，照着书做是不够的，我们更需要的是实践能力和经验。除此之外，我还学会了焊接电路板，掌握了书本以外的电子电路方面的知识，尤其是在制作PCB板的时候受益扉浅，制板的过成中遇到另外种种问题，感谢实验室各位老师提供的元器件、工具和帮助，更要感谢在我论文设计期间给予我重大帮助和鼓励的苏子民老师,他不厌其烦,认真指导,仔细讲解,才使得设计能够顺利完成,同时还要感谢我的同学们给我很大的帮助。在此诚挚的对老师和帮助过我的同学们说一声：谢谢！！！２７ 致谢首先，非常感谢我的指导教师**老师。感谢她在我毕业设计选题、总体方案设计、实验设备、参考书籍等各方面对我的帮助和建议在整个设计、加工过程中，您给我们提出了许多和宝贵的建议和意见，让学生少走了许多的弯路。通过您的指导让让我理清了设计思路，灵活地运用了以前所学的知识，把课本上的理论知识联系到实际运用中来。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导、老师和同学。在此学生再次对您表示最忠心的感谢和敬意！此致敬礼２７ 参考文献[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1988,223-232[2]户川治朗.实用电源电路设计[C].北京:科学出版社,2006,32-36[3]杜怀昌，肖怀宝，黄玲玲．CMOS集成电路原理与应用[M]，2006，157-160[4]陈凯良，竺树声.恒流源及其应用电路[M].浙江:浙江科学技术出版社,1992，67-68，106-108[5]DAC0832的中文资料手册[EB/OL][6]郝文化．ProtelDXP电路原理图与PCB设计[M]．北京：机械工业出版社，2004[7]张有顺．MCS-51/96系列单片机简明教程[M]．北京：中国脊梁出版社，1998，77-80[8]AT89S52中文资料手册[EB/OL][9]何燕飞．恒流源综述[J]．益阳：益阳师专学报，2002[10]张立科．单片机通信技术与工程实践[M]．北京：人民邮电出版社，2005[11]楼然苗，李光飞．51系列单片机设计实例[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003[12]黄惠媛，李润国．单片机原理与接口技术[M]．北京：海洋出版社，2006，55-56[13]赵负图．数安逻辑集成电路手册[M]．北京：化学工业出版社，2004２７'